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• Alex Salvador

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LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR INSTITUTO CUBANO DE INVESTIGACIONES DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR (ICIDCA)

EDITORIAL CIENTIFICO-TECNICA LA HABANA

Estimado lector: La Editorial se mostraría muy complacida si usted le hiciera llegar su opinión acerca de los aspectos técnicos y de presentación de este libro. Gracias.

Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar

Director Luis O. Gálvez Taupier Coordinación técnica general Herly Noa Silverio Consejo de redacción Mike Young Oscar Almazán Leonel González Carlos de Armas Nancy Fernández Nelson La Serna Laura Lami Arnaldo García Secretaria de redacción Gladys La Serna

0 Instituto Cubano de Investigaciones de la Caña de Azúcar, 198= ® Sobre la presente edición: Editorial Científico-Técnica, 1986 Revisión técnica: ICIDCA Edición: Juan F. Valdés Montero Diseño : José González Rodríguez Corrección: Lourdes Rodríguez Pérez y Pilar Trujillo Curbelo

Ministerio de Cultura Editorial Científico-Técnica Calle 2 # 58, entre 3' y 5' Ciudad de La Habana, 4

ÍNDICE

pág. Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

PRIMERA PARTE. SITUACION ACTUAL Y PERSPECTIVA . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo I. Economía y desarrollo perspectivo de los derivados de la caña de azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Desarrollo de la industria azucarera y de derivados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Análisis de la producción azucarera en los últimos 20 a . . . . . . . . 1 .2 Desarrollo de la producción de derivados . 2 Aspectos que hay que considerar para la industrialización de los deri vados . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Transformación de la industria azucarera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Disponibilidad de áreas cañeras .............. .. . . . .. . .. . 2.3 Limitaciones para la utilización del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Competencia en el uso de las mieles finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 .5 Alza sistemática del precio de los equipos . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 2.6 Problema de mercado de los derivados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Producción de derivados de segunda generación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Solución a los problemas que confrontan los países azucareros . . . . . . 4 Caña de azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Tendencias de utilización de la caña . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Utilización de los residuos de la cosecha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Utilización del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Celulosa y papel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Industria hidrolítica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Derivados aglomerados de¡ bagazo . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Carbón activado . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . 7 Utilización del meollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Bagacillo predigerido (meollo predigerido) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Utilización de las mieles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1 Alcohol etílico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Levadura torula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 L-lisina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 8.4 Ácido cítrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5 Otros derivados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 9 Utilización de la cachaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 Cera refinada de cachaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Sucroquímica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 Sorbitol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 6 11 12 13 13 13 15 15 16 16 16 17 18 19 20 20 33 37 40 40 42 42 42 47 47 48 49

si 51 52 53 55

Capítulo II. La caña de azúcar como fuente de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . ... . 2 La caña de azúcar como fuente de .biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Energía solar, su transformación en biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Demanda de energía en la producción de caña . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Características de las diferentes formas de biomasa . . . . . . . . . . . . . . 3 Potencialidad de la industria de azúcar de caña como fuente de materia prima y energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 3.1 Situación energética actual de la industria azucarera . . . . . . . . . . . . 3.2 Generación de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Esquemas de proceso ... ... . . .. . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 3.4 Esquemas energéticos de alta eficiencia . . . . . . . .. . ......... 4 Otras formas de utilización de la caña como fuente de energía . . . . . . . . 4 .1 Producción de alcohol combustiblé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57 57 57 58 59 61 61 62 66 68 73 73

Pág. 4.2 Producción de biogás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Producción de gas pobre y otras alternativas energéticas . . . . . . . . . . 5 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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SEGUNDA PARTE. MATERIAS PRIMAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo III . La caña de azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- . . . . . . . . . . 1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Taxonomía de la caña de azúcar actual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Floración de la caña de azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ..... ....... ... . 4 Algunos aspectos de la fisiología de la caña de azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Mejoramiento y selección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . - . . . . . . . . 6 Inducción de mutaciones ....... . ... ... ......... ...... ............... 7 Cultivo de tejidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . 8 Métodos de selección en caña de azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Resistencia a enfermedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . 9.1 Gomosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 .2 Mosaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 9.3 Carbón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4 Roya . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5 Pudrición roja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 10 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90 90 93 94 97 97 99 99 105 105 l05 105 107 107 107

Capítulo IV. Bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Composición física, química y morfológica del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..... ... ... ... ... ... ... . 2.1 Composición física . . 2.2 Composición morfológica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Composición química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Desmedulado del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Afectaciones tecnológicas que introduce la medula . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Tecnología de desmedulado, equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 .3 Métodos de desmedulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Política de desmedulado, alternativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Almacenamiento del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Almacenamiento compactado en pacas húmedas . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Almacenamiento compactado en pacas presecadas . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Influencia del desmedulado previo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Ventajas y desventajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Almacenamiento en briquetas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Almacenamiento a granel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Ventajas y desventajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 .8 Sistema con tratamiento biológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9 Sistemas con formación en húmedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10 Sistemas con formación en suspensión . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Calidad del bagazo industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Parámetros primarios que determinan la calidad del' bagazo . . . . . . 5 .2 Especificaciones de calidad del bagazo entregado por el central azucarero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

111 111 111 112 116 118 1,19 119 120

Capítulo V. Utilización de residuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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121 121 122 122 123 123 123 124 124 126 126 127 127 129 129

. .. ... ... . .. ... ... . .. ... ...

131 131 133 137 138 139 142 145 146

Capítulo VI. Mieles cubanas . Características principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Características químicas de las mieles finales cubanas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Hidratos de carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . "

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Introducción . . . . . . . . . . . . . . Caracterización . . . . . . . . . . . . . Recolección y obtención de Transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . Vías de utilización . . . . . . . . 5.1 Alimentación animal . . 5.2 Fines energéticos . . . . . . 5.3 Otros usos . . . . . . . . . . . . . 6 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . .

1 2 3 4 5

.. ... .... .. ... . ... residuos .. ...... . ....... .. ... ... ... .. ... ... . .... ... .. .........

.......... ... ..... . agrícolas ..... ... .. . ... ... ... . ... ... ... .. ...... .. . ....... .. ........ ..

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.. .. .. .. .. .. . . . . . .

. . . . . . . . .

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... ... ... ... ... ... ... ... ...

. . . . -

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.... .... . . .. . ... .... .... .... .. .. . ...

Pág.

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2.2 Componentes no azúcares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Estudio de algunas tendencias de los componentes presentes en la miel de caña cubana . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Comparación de algunos componentes químicos de las mieles de caña cubana N, mieles de remolacha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Características fisicoquímicas de las mieles finales cubanas . . . . . . . . ... . .. . ... ... .. . ... .. ... . ... ... . 3.1 Propiedades rcológicas . . . . . . . . . . 3.2 Viscosidad aparente de las mieles finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Densidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Tensión superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 .5 Calores específico y de combustión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 .6 Efectos de la esterilización sobre las mieles finales . . . . . . . . . . . . Microflora de las mieles finales cubanas . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . Almacenamiento de las mieles finales . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . 5.1 Comportamiento anormal de las mieles finales durante su almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Estudio del deterioro de mieles finales cubanas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abreviaturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Capítulo VII . La cachaza como materia prima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Obtención, Procedencia . . . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. 2.1 Clasificación . Proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Tratamiento de la cachaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . 3 Caracterización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. 3.1 Composición de la cachaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Factores agroindustriales que influyen en la composición de la cachaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Utilización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Producción de cera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Fertilizantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 La cachaza corno alimento animal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Producción de carbón activado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Potencialidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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TERCERA PARTE . TECNOLOGÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Capítulo VIII . Industria de celulosa y papel a partir del bagazo . . . . . . . . . . . .

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1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Pulpeo de alto rendimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . --2.1 Pulpeo mecánico a partir de bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Producción de pulpas por el proceso a la soda fría . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Resultados de la producción de pulpas semiquímicas .y quimimecá...... nicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Producción de pulpas de alto rendimiento por el proceso al sulfito . . . . 4.1 Proceso al sulfito neutro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . 4.2 Aplicación del proceso al sulfito alcalino, en la obtención de pulpas de alto rendimiento, de bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Pulpeo químico de bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . 5.1 Procesos de pulpeo a la soda y al sulfato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Nuevos procesos de pulpeos alcalinos aplicados al bagazo . . . . . . . . . . 5.3 Procesos de pulpeo en medio ácido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Tecnología de producción clj pulpa . . . . .- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Tecnología de recuperación de licor negro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Producción de pulpa para disolver a partir del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Obtención de pulpa para disolver por procesos alcalinos . . . . . . . . . . 6.2 Cocción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Procesos ácidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Abrillantamiento dé las pulpas de tipos mecánicas y quimimecánicas de . .. . . . . . . . . . . . . bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Peróxido de hidrógeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Hidrosulfito de sodio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Hipoclorito de sodio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Blanqueo de la pulpa química de bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1 Utilización del cloro en el blanqueo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 .2 Dióxido de cloro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

185 185 186 188 189 192 192 197 202 203 207 208 209 211 212 213 213 213 214 214 215 217 218 218 220

Pdg . 9

10 11 12

13

14

15

8.3 Oxígeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Peróxido de hidrógeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . Blanqueo de la pulpa para disolver del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Producción de papel y cartón a partir del bagazo .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Caracterización y propiedades papeleras de las pulpas de bagazo . . . . . . 11 .1 Estructura fraccional y composición química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 .2 Refinación y propiedades papeleras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tecnología de producción de papel y cartón a partir del bagazo . . . . . . . . 12 .1 Formulaciones fibrosas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Tipos de papeles y cartones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3 Producción de papel periódico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4 Experiencias mundiales en la búsqueda de tecnologías a partir del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proceso de producción de papel y cartón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 .1 Preparación de pasta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 .2 Producción de papel y cartón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3 Balances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La industria de celulosa y papel en Cuba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 .4

221

224 226

226

227 228

229 232 232

232 234 234 236 236 239 244 247 248

Capítulo IX. Productos de la hidrólisis de los derivados de la caña de azúcar 251 1

2

Introducción . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Furfural : obtención y aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 2 .1 Procesos tecnológicos para la producción de furfural . . . . . . . . . . . . 253 2 .2 Aplicaciones del furfural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 2 .3 Furfural a partir de los derivados de la caña de azúcar . . . . . . . 255 2.4 Obtención del furfural con el empleo de HCl como catalizador . . 259 2 .5 Furfural de prehidrolizados de pentosanas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 2 .6 Perspectivas de la producción de furfural a partir de los derivados de la caña de azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

Azúcares hidrolíticos : obtención y aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Procesos tecnológicos para la hidrólisis química . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 .2 Tecnología de hidrólisis por percolación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 .3 Cinética de la hidrólisis de los derivados de la caña de azúcar 3.4 Experiencias tecnológicas en el empleo de bagazo y meollo para la hidrólisis química . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 3 .5 Perspectivas en la producción de azúcares hidrolíticos . . . . . . . . . . 4 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .

271 275 275

Capítulo X. Productos aglomerados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

277

.. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 1 Generalidades 2 Definiciones y clasificación de los productos aglomerados . . . . . . . . . . . . 2 .1 Definiciones generales ................... ... ... ................. 3 Materias primas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 3.1 Bagazo y paja de caña . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 .2 Aglutinantes . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 3 .3 Aditivos químicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . . . . 4 Tecnología de producción de los tableros de partículas de bagazo . . . . 4 .1 Preparación de partículas . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 .2 Secado y clasificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Encolado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 4.4 Formación ..... .... . . . . . .. . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 .5 Preprensado y prensado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Terminación . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .

277 279 279 280 280 281 282 282 283 284 284 285 285 286

Tecnología de producción de los tableros de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 .1 Elaboración de la pulpa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 .2 Encolado (aditivos químicos) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .......... 5.3 Formación del colchón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Prensado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Acabado de los tableros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Productos moldeados . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Thermodyn . . ., . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 .2 Callipress . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. 6 .3 Werzalit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . ... . .. . . .. . 6.4 Tecnología de producción de productos moldeados de bagazo . . . . 6.5 Propiedades . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . .

287 287 289 289 290 290 291 292 292 292 292 295

3

5

262 264 264 267

Pdg. 7 Productos aglutinados con materiales inorgánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Algunas experiencias en la tecnología de producción de tableros partículas bagazo-cemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Recubrimiento superficial de los tableros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Principales aplicaciones de los tableros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo XI. Levadura forrajera

. .. de . .. ... .. . .. .

295

.. ... ... ... .. . ... ...... .. . .. ... . ... .. ...... .

304

1 Introducción .. ... . ..... ... . .. ... ... .. . ... . . .. ...... . ... ... . 2 Levadura forrajera a partir de las mieles finales de caña . . . . . . . . . 2.1 Materias primas y auxiliares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Descripción tecnológica, balance de materiales y de energía . . . 3 Equipos fundamentales de la instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Fermentadores para el desarrollo del microorganismo . . . . . . . . . 3.2 Separadoras centrífugas para la recuperación de la levadura 3.3 Sistema de secado por atomización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Características del producto final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo XII .. Alcohol etílico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Diferentes materias primas utilizadas . . . . . . . . .. ........ 3 Producción de alcohol a partir de la caña de azúcar . . . . . . . 3.1 Mieles finales de caña . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Jugo de caña . ... ... ... ... ...... ....... ........ 3.3 Residuos lignocelulósicos (bagazo, paja y meollo) . . . 4 Características del alcohol vía fermentativa . . . . . . . . . . . . . . . 5 Subproductos del proceso de producción de alcohol . . . . . . . 5.1 Fusel oil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Anhídrido carbónico (CO2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Levadura cáccharomyces .. ... ........ ... .... ... .... 6 Insumos de materias primas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Nuevas tendencias en el mundo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.. . ... ... ... .. . ... .. . .. ... ...

297 299 301 303

.. .. .. .. .. . . . . . . .. . .

304 304 305 307 332 333 336 337 339 340

.... ... ... ...

341

. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. .  .............

341 341 342 342 345 345 345 346 346 346 347 347 347 348

Capítulo XIII. Dextrana técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

350

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

.. .. .. .. .. .. .. ..

. . . . . . . .

... ... ... ... ... . .. . .. . ..

. . .. .. .. .. .. . . . .

... .. . .. . ... ... .. . .. . .. .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . .. . . . . . . .

... .......... . . . . .. . . . . . . .

Introducción . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Características y propiedades de la dextrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proceso tecnológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conservación y preparación de inóculos o semillas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Crecimiento microbiano y producción de enzimas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Síntesis enzimática de la dextrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recuperación y purificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evaporación y secado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recuperación de alcohol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicaciones de la dextrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 En los lodos de perforación de pozos de petróleo . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 En la industria de pieles y sus derivados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 En la industria farmacéutica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4 En la industria textil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Otras materias primas para la producción de dextrana técnica . . . . . . . . . 12 Utilización de los efluentes de la producción de dextrana técnica . . . . . . . 13 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

350 350 351 351 352 354 355 355 356 356 358 358 358 358 358 358 359

Capítulo XIV. Lisina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

360

1 2 3 4 5 6 7

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 .1 Propiedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Síntesis química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Obtención de L-lisina a partir de furfural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Producción de Irlisina a partir de enzimas inmovilizadas . . . . . . . . . . . . . . Biosíntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Regulación de la biosíntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Microorganismos productores ... ...... . ... . .. Ferm ación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ~. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

360 360 361 361 361 361 362 362 364

Pdg. 8 Influencia de las características de las mieles finales en cuanto a ducción de L-lisina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Proceso tecnológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Alternativas tecnológicas para la producción de lisina a partir de crudo y/o miel final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Levaduras hiperproductoras ... . ......... ........ . ... ...... .... 12 Perspectivas . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. 13 Bibliografía . . .. ... ... ... ... . .. . .. ... ... ... . .. . .. .. ... ... ....

la pru. ....... .. .. azúcar . .. . . . . ..... .. . .. . . . . . .. . . . . . .

372 37:3 377 379 179 379

Capítulo XV. Caña de azúcar y alimentación animal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

381

1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .. ... ... . ... .. . . . . .. ... ... . .............. ... ..... . .. .... ... 2 Mieles 2.1 Bovinos .. ... ... ... . .. ... ... ... ...... ... ... ... .... ........... ... 2.2 Porcino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 2.3 Aves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . 3 Residuos celulósicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Residuos celulósicos agrícolas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Residuos celulósicos industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Desarrollos más recientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Caña de azúcar .. . ..... ... . .. . .. ...... ... ... .... .................. ... 5 Proteína . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

381 381 3233 383 386 388 388 390 395 396 399

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Capítulo XVI . Química de la celulosa . . . . . . . . . .1 . . . . . . . . . . 1 .1 . . . . . . . 11 . . . . .

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1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Química de los derivados dla celulosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Celulosa . . . . ..... . ... . ........ ... ... ... . ... ...... ..... 2.2 Derivados químicos celulósicos. Ésteres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Éteres de celulosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Tecnología de la producción de los derivados de la pulpa para disolver del bagazo ...... ... ... ............ ... ... ... ...... ... ....... ... ... .... 3.1 Producción de polvo de celulosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Xantato de celulosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Ésteres de celulosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Éteres de celulosa . . . . . . .. ... .. . . ... . . .. . . 4 Diagrama de flujo para la producción de derivados de celulosa. Equipamiento ... . ... . .... ... .: . .... .. ... ... ... ... . . 5 Perspectivas del desarrollo de otros derivados de la celulosa, a partir de la pulpa para disolver del bagazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 6 Bibliografía . ... .............. . ... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ..... ...

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Capítulo XVII. Polímeros furánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1 Introducción . . . . . . . . . .. ... . .. ... .... . ........ .. 2 Métodos de síntesis de polímeros furánicos, de extendido uso industrial 2.1 Polímeros derivados de las furfurilidenacetonas . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Polímeros derivados del alcohol furfurílico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Otros polímeros derivados del alcohol furfurílico . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Aplicaciones fundamentales de los polímeros furánicos . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Hormigones poliméricos furánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Materiales utilizados para la elaboración de hormigones plásticos 3.3 Influencia de la concentración del polímero y de los rellenos . . . . 3.4 Influencia del tiempo de curado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ... ... . ..... .. 3.5 Influencia de los agentes químicos 3.6 Aplicaciones industriales de los hormigones y masillas poliméricos 4 Aglutinantes poliméricos para fundición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Aglutinantes furánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . .. . . 4.2 Otros factores influyentes en la calidad de los machos de fundición 4.3 Procesos de fabricación de machos por endurecimiento rápido . . . . 5 Plásticos reforzados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Técnicas de moldeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Defectos fundamentales de los productos moldeados . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Ventajas y desventajas de los plásticos reforzados . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Otras aplicaciones de los polímeros furánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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5.1 Proteínas a partir de 5.2 Proteínas a partir del 6 Mosto de destilería .. .. 7 Bibliografía .... . ... ... .

carbohidratos solubles carbohidrato insoluble . ... ... ... ... ... ... ... .. .. ... .. . .. . ... ... ...... .

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Pág. 6 Técnicas de seguridad del trabajo en la producción de polímeros furánicos. Protección del medio o ambiente . .-- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Bibliografía ....... ......... . ........... ... ... ...... ... ... ... .... ..... Capítulo XVIII. Bioáctivos

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1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ .... ... . 2 Peculiaridades del anillo furánico en cuanto a reactividad . . . . . . . . . . 2.1 Procesos de adición y de sustitución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Reacciones de nitración, halogenación, alquilación y clorometilación. Algunas consideraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 rlitración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Halogenación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Alquilación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Clorometilación . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. ...... 4 Multiplicidad de las alternativas en cuanto a la aplicación de derivados furánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . 5 Dirección fundamental de nuestro trabajo con derivados furánicos . . 6 Propiedades de los furanos que determinan el interés de su desarrollo como bioactivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Bibliografía ..... ......... ... ........... ... ............ .......... ..... Capítulo XIX. Tratamiento de líquidos y solidos residuales de las industrias azucarera y de derivados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Introducción ..... ............... .. . . . . . . .. . .. . . . . . . 2 Características de los efluentes de la industria azucarera y sus derivados 2.1 Aguas residuales de la industria azucarera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Aguas residuales de la industria de levadura forrajera . . . . . . . . . . . . 2.3 Aguas residuales de la industria de la producción de alcohol . . . . 2.4 Aguas residuales de la industria de pulpa y papel . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Medidas para atenuar la contaminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Medidas internas . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . .. . 4 Medidas externas . Sistemas de tratamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Efluentes de la industria azucarera, de levadura y de destilería . . . . 4.2 Efluentes de la industria de pulpa y papel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . .. 5 Otras vías de tratamiento para los efluentes . . . . . 5.1 Aguas residuales de las industrias azucarera, de levadura ydestilerías .... . ............ . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 5 .2 Aguas residuales de la industria de pulpa y papel . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .

Capítulo XX, Carbón activado a partir de los subproductos de la caña de . . .. . ... ... . .. . .. .. . ......... ... ... .. . .. . ... . .. ..... . .. . .. . .. . ... . azúcar

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1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Tecnologías para a producción de carbón activado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . .. . . . . . . . . . . . . . 2.1 Generalidades 2.2 Activación química . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . .. . . . . . . . . . . . . . 2.3 Activación física . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . .. . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . .. . .. 3 Adsorción física en el carbón activado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Estructura submicroscópica ... ... .. . .. . ... ... ... . .. . .. . .. ... ... . 3.2 Estructura química ........... ...... ... . .. ... . ... ... ... ...... 3.3 Elementos de la teoría de adsorción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Producción de carbón activado en polvo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Carbón activado en polvo a partir de bagazo, por activación física 4.2 Carbón activado en polvo a partir de bagazo, por activación química 5 Producción de carbón activado granular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Carbón activado granular a partir de bagazo, por activación física 5.2 Carbón activado granular a partir de bagazo, por activación química 5.3 Carbón activado granular a partir de celolignina, por activación física ..... ... ... ...... ...... ... ... ...... ...... ... .... ........ ... . 6 Bibliografía ... ... ..... . .. ... . ... ...... ...... ... ... ... ... . ..... ......

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Capítulo XXI, Producción de cera y grasas a partir de cachaza . . . . . . . . . . . . . .

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1 Antecedentes históricos . 2 Generalidades . ... ...... 2.1 Ceras minerales . . . . 2.2 Ceras animales . . . . .

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Pág. .. . ... .. . .. ... ... ... ... .. . ... ... . .. ......... ... ... 2.3 Ceras vegetales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. 3 Situación actual 4 Características y composición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Composición de la cera de cutícula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ... ...... .. ... . ..... . ........... . ................ . 4.2 Cera cruda ... ... ... ... .. . .. . ... .. .... ........ .... .. ...... ... ... 4.3 Cera dura 4.4 Aceite de cachaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .. . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 4.5 Resina extracción de la cera cruda de caña . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Tecnologías de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .--- .-- .- . . . . . . .- . . . 5.1 Generalidades .. 5.2 Sistema de extracción sólido-líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Sistemas de extracción líquido-líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Tecnologías de refinación de la cera cructa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Aspectos generales cera cruda por fraccionamiento con acetona . . . . . . . . 6.2 Refinación de 6.3 Refinación de cera cruda por fraccionamiento con etanol-heptano 6.4 Refinación de cera cruda por destilación y oxidación con ácido crómico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Comparación de los métodos de refinación con acetona y con etanol-heptano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Blanqueo y modificaciones químicas de la cera refinada . . . . . . . . . . . . . . 8 Modificaciones químicas del aceite de caña . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Usos y aplicaciones de los productos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . 9.1 Cera cruda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Cera dura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Grasas y resinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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PROLOGO

El interés por los derivados de la caña de azúcar, está cada vez más extendido entre los diferentes países productores de azúcar a partir de la caña. Esto es consecuencia de ja necesidad de mejorar las economías de las empresas azucareras y lograr que éstas tengan una mejor situación, frente a las fluctuaciones de los precios del azúcar en los mercados internacionales. El Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA) ha venido trabajando, por 2 décadas, en el esclarecimiento de las mejores alternativas técnicas y económicas para la industrialización de los derivados. Fruto de estos esfuerzos es este libro, que forma parte de una serie que comenzó con el título Los derivados de la caña de azúcar, editado en 1980, donde se recogieron las principales experiencias de investigación de los primeros 10 a del Instituto . El libro que ahora presentamos, La industria de los derivados de la caña de azúcar, tiene un enfoque diferente al anterior, al dirigirse, fundamentalmente, a los aspectos económicos y tecnológicos de los productos principales de este campo y de las materias primas que sirven de base a los derivados. En esta oportunidad se plasman los 20 a de experiencia de la institución en este campo, enfocando, en sus páginas, aspectos que permiten ampliar los conocimientos de las industrias de los derivados. El libro ha sido convenientemente dividido en 3 partes, con las que se puede alcanzar una visión panorámica de la industria de los subproductos de la caña de azúcar. Con su estudio se logran los conocimientos básicos para la toma de decisiones inversionistas . La primera parte "Situación actual y perspectiva" consta de 2 capítulos que pretenden dar una panorámica de los derivados, tanto de sus posibilidades y alternativas como de las implicaciones desde el punto de vista energético que éstos tienen. El primer capítulo "Economía y desarrollo perspectivo de los derivados de la caña de azúcar" aborda, de forma integral, el desarrollo de los derivados y su vinculación con la industria azucarera, haciendo énfasis en los criterios que se deben tener en cuenta para su industrialización y los diferentes usos comerciales que éstos tienen . El segundo capítulo "La caña de azúcar como fuente de energía", es un obligado tema que permite cuantificar las ventajas y alterrzativas que pueden tener los derivados, vistos éstos desde el punto de vista de fuentes de energía. Cubiertos estas aspectos generales de los derivados, en la segunda parte "Materias primas", se entra de lleno, en los 5 capítulos que la integran, en la caracterización de las materias primas que sirven de base a los derivados . El capítulo "La caña de azúcar", es una necesaria referencia a las características relevantes de esta gramínea y a la potencialidad que presenta como materia prima, de donde se pueden obtener infinidad de productos de interés comercial y para la industria. En el capítulo "Bagazo", se entra en la descripción anatómica y morfológica así como en la composición química y física de esta materia prima y se describen las principales tecnologías asociadas a su desmeollamiento, manipulación y almacenamiento . La "Utilización de los residuos" es un

capítulo donde, de igual forma, se hace una caracterización de esta materia y se abordan los problemas relacionados con su recolección, transporte y sus usos más ventajosos . Una importante materia prima considerada en esta segunda parte son las "Mieles cubanas", este subproducto es base de toda la industria microbiológica relacionada con los derivados . En esta parte se ofrece una caracterización de las mieles, así como los problemas relacionados con su almacenamiento, manipulación y conservación . Para cerrar la segunda parte del libro se trata el tema de "La cachaza corno materia prima" y se describen sus propiedades, sus usos más generalizados y su potencialidad. La tercera parte del libro titulada "Tecnología" tiene 14 capítulos dedicados a la descripción tecnológica de las industrias de derivados más difundidas y de mayor interés económico entre todas las que integran el amplio espectro del aprovechamiento de los subproductos . Se comienza con él capítulo "Industria de celulosa y papel a partir del bagazo", aquí se recogen las experiencias más relevantes sobre el pulpeo de alto r(ndimiento, los métodos de pulpeo químico, la producción de pulpa para disolver y las experiencias más recientes en las pulpas quimimecánicas para papel periódico. Este capítulo también se adentra en la caracterizrcción de la producción de papel y cartón, las tecnologías disponibles y las ventajas de unas y otras. Este capítulo se cierra con una descripción de la industria de celulosa y papel, su evolución y principales experiencias en Cuba. Los "Productos de la hidrólisis de los derivados de la caña de azúcar" para la producción de furfural y de mieles hidrolíticas son tratados, partiendo de las experiencias cubanas y de las existentes en otros países . Se describen los procesos tecnológicos y los distintos métodos generalizados de estas tecnologías . El capítulo titulado "Productos aglomerados" abarca la producción de tableros de partículas y de fibra y la de elementos moldeados . Aquí se describen las tecnologías de producción disponibles y los aspectos más importantes de los procesos, partiendo, fundamentalmente, de la experiencia cubana que dispone de la mayor- capacidad instalada en el mundo de plantas de tableros de bagazo . Una especial atención se dedica a la industria bioquímica dada la impartancia que ésta tiene para los derivados y su actualidad en los procesos más modernos en explotación en el mundo. En 4 capítulos se plantean diferentes aspectos tecnológicos y de procesos de la producción de alcohol etílico, lisina, levadura forrajera y dextrana técnica, basándose, en gran medida, en las investigaciones realizadas en el ICIDCA y extendidas comercialmente en el país. La alimentación animal es un tema de gran actualidad por su influencia en las soluciones a los problemas de alimentación y como tal es tratada en el capítulo "La caña de azúcar y la alimentación animal", donde se describen s'u's posibilidades y alternativas. La industria química de los derivados es abordada en 2 capítulos : "Polímeros furánicos", que recoge las alternativas, la síntesis y las aplicaciones industriales de los mismos, y "Bioactivos", que presenta las posi bilidades de estos productos en el campo de los pesticidas, herbicidas e insecticidas . Los derivados de la celulosa se describen en el capítulo ',Química de la celulosa" y se señalan sus propiedades químicas, así corno sus alternativas en diferentes campos industriales. El capítulo sobre "Tratamiento de líquidos residuales de la industria azucarera y de derivados", está dedicado a los diferentes procesos para el tratamiento de los líquidos residuales de la industria de los derivados, así como el uso económico de los productos que resultan de estos procedimientos . Se consideró conveniente, en el capítulo "Carbón activado a partir de los subproductos de la caña de azúcar", mencionar las diferentes tecnologías disponibles, las características que debe tener el producto final y las exigencias demandadas por su uso . En el capítulo final "Producción de cera y grasa a partir de cachaza", se recogen las experiencias tecnológicas desarrolladas en Cuba, las dife-

rentes calidades de productos que se pueden esperar y los procesos disponibles en estos momentos . De igual forma, se hace mención a los ácidos grasos que se obtienen como subproductos y los usos a los que se les destinan . Los temas abordados en este libro no pretenden, de ninguna manera, agotar los conocimientos del amplio campo de los derivados de la caña de azúcar, se ha querido, sin embargo, contribuir a la ampliación de las experiencias de la diversificación de la industria azucarera . LUIS O . GÁivEZ TAUPIER

Director del ICIDCA

PRIMERA PARTE SITUACIÓN ACTUAL Y PERSPECTIVA Capítulo I ECONOMÍA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR HERLY NOA SILvERIo Colaboradores: MARIBEL HERRYMAN MUNILLA GLORIA ALFONSO CADENAS GUILLERMO BERNAL RODRÍGUEZ

La caña de azúcar ofrece enormes posibilidades de aprovechamiento integral, mediante la industrialización de sus subproductos y la producción de derivados con posibilidades de mercados nacionales e internacionales, lo cual permite, a los países productores, la diversificación de sus economías . La industria azucarera se debe modernizar para poder competir, ventajosamente, frente a los sustitutos del azúcar, que sin lugar a dudas están alcanzando una amplia expansión en los países desarrollados . Esta situación implica la necesidad de buscar soluciones novedosas que permitan, no sólo encarar las fluctuaciones tradicionales de los precios del azúcar en el mercado mundial, mediante el estudio de las posibilidades y alternativas que deben ser analizadas en el campo, la industria y en la utilización de sus subproductos, sino interactuar positivamente dentro de esta problemática llena de incertidumbres . El estudio integral de todas las posibilidades y perspectivas que ofrece la caña de azúcar, así como el análisis económico de las mismas, no se ha abordado hasta el presente exhaustivamente, por lo que este capítulo está encaminado a brindar una visión de conjunto de las mismas, con el objeto de que sirvan de base a los productores para dar soluciones que deben ser vistas de acuerdo con el prisma de las condiciones particulares de cada país. 1 Desarrollo de la industria azucarera y de derivados La caña de azúcar es originaria de Nueva Guinea y sus islas aledañas, se conoce de su intro-

ducción en distintos países desde hace por lo menos 8 000 a. Cronológicamente, el azúcar de caña precedió al azúcar de remolacha cerca de 2 000 a. Según muchos autores, las primeras pruebas que se poseen de la existencia de azúcar en forma sólida, data de los años 500 d.n .e . y fue obtenida en Persia. En su segundo viaje a tierras americanas Colón llevó la caña de azúcar a Santo Domingo, donde prosperó fácilmente. El cultivo de la caña se extendió pronto a Cuba, México y más tarde a Perú. La caña de azúcar fue introducida en Cuba en 1511, pero esta industria no se desarrolló inmediatamente . En 1760, la producción fue de 500 t, aproximadamente, pero ya en 1772 comenzó a ascender hasta convertirse en una importante industria comercial . Ya en el siglo xix Cuba produjo 1000 000 t de azúcar . El desarrollo de la tecnología de la producción de azúcar, si se considera el que se posee en la actualidad, se puede decir que tuvo su mayor evolución a partir de 1880; esto trajo aparejado un cambio en los molinos y prensas, operados manualmente y por fuerza animal, a molinos de rodillos múltiples manejados por vapor, de la sustitución de recipientes abiertos y el consiguiente drenaje de las mieles en moldes, a la evaporación con efecto múltiple y la separación centrifugada de las mieles y el azúcar. En el siglo xx se produce una importante expansión de la industria, construyéndose muchos centrales, sobre todo en América Latina. A pesar de que en los últimos años -y, sobre todo, a partir de la Segunda Guerra Mundial, la industria ha experimentado un crecimiento, de -cierta importancia, su tecnología no ha tenido cam-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZVCAR

bios sustanciales, éstos se han caracterizado más bien en los detalles que en los principios. 1.1 ANÁLISIS DE LA PRODUCCION AZUCARERA EN LOS úLTIMOS 20 a Para el análisis de las perspectivas de la industria azucarera de caña, es necesario tener una visión de conjunto de su evolución, sobre todo en los últimos 20 a y además comparar esta evolución con la producción remolachera, así como también estudiar el desarrollo alcanzado por esta industria por continentes y países. La producción mundial de azúcar, en los últimos 20 a, o sea, desde 1959 hasta 1979, ascendió de aproximadamente 50 000 000 t, a 89 000 000, según se muestra en la figura 1 . De los 39 000 000 t de incremento durante el período analizado, corresponde al azúcar de caña 26 000 000 y al azúcar de remolacha, aproximadamente, 13 000 000 . En 1979, 61,4 % de la producción total mundial corresponde al azúcar de caña con casi 55 000 000 y 38,6 GIG al azúcar de remolacha con 34 000000 .

En Europa (Fig. 2) la mayor parte de su producción azucarera corresponde al azúcar de remolacha, la cual ascendió de 18 000 000 t, en 1959, a casi 30 000 000 t, en 1979; de los datos mostrados por las figuras 1 y 2 se puede inferir que el crecimiento del azúcar de remolacha, en el mundo, estuvo básicamente sustentado con el crecimiento en Europa, con 12 000 000 t en el período . A su vez, en 1979, Europa concentró 85 % de la producción mundial de azúcar de remolacha con más de 29 000 000 t. Las cantidades de azúcar de caña que se producen en el continente europeo son algo menores al medio millón de toneladas . En África (Fig. 3) se producen pequeñas cantidades de azúcar, estando en el orden de los 6000 000 t, al azúcar de caña le corresponde 94 % de su producción total . En la figura 4 se puede ver el incremento de la producción de azúcar de Asia y Oceanía en los últimos 20 a, la cual fue del orden de 14 000 000 t. En 1979, la "producción de azúcar de Asia y Oceanía representa 27 % de la producción total mundial, 94 % de esta producción corresponde al azúcar de caña .

Fig. 1 Producción mundial de azúcar. MMt/a 90

60

70

60

50-

40

30

20

FUENTE=SUGAR YEAR BOOK

70

72

74

76

70

BO

AROS

MN Me 30

TOTAL

292827-

261 25 24 23 22 21 2019 . IsI?-

FUENTE:SUGAR YEAR BOOK _ CAÑA 62

64

66

68

70

72

74

Fig . 2 Producción de azúcar en Europa .

Fig. 3 Producción de azúcar en África. mm t/a

6"

51

4-

3.

2 0,4 0,3 0,2 0,1

76

76

AROS

+va

MM

TOTAL

20-

16

16

14

12

10 2,0 REMOLACHA

FUENTE ; SUGAR YEAR BOOK 60

64

62

66

68

70

74

72

76

78

80 A Ñ03

Fig. 4 Producción de azúcar en Asia y Oceanía. Fig. 5 Producción de azúcar en América.

MM t/a 40 TOTAL

30

CAÑA

20 10 4 3 2 60

62

FUENTE , SUGAR YEAR

64 BOOK

66

66

70

T2

T4

76

AÑOS

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR

MM t/a

30 . -TOTAL 20 -

0,4. 0,3. 0,2. 0'l60 FUENTE : SUGAR

62

64

YEAR BOOK

es

70

72

T4

7 - 76

is

AÑOS

Fig . 6 Producción azucarera de América Latina.

El continente americano (Fig. 5) contribuye a la producción mundial con casi 32000 000 t; al azúcar de caña le corresponde alrededor de los 29 000 000 t; esto representa 90 % de la producción de este continente . De los 32 000 000 t que produce América le pertenecen a América Latina 26 500 000 t, lo que representa 82 % de la producción de éste continente (Fig. 6) . En 20 a la producción de azúcar en América Latina ha crecido en 9500000 t. Ya en 1979, la producción de azúcar de caña en América Latina representa 48 % de la producción mundial de azúcar de caña y 30 % de la producción total mundial . En la tabla 1 se reflejan los mayores productores de azúcar de caña en el mundo; solamente 9 países producen por encima de los 2 000 000 t y 3 países por encima de los 6 000 000 t. Los 18 países que aparecen en la tabla 1 producen 52 % del azúcar que se fabrica en el mundo y 84 % del azúcar de caña; de estos grandes productores, 7 pertenecen a América Latina y el Caribe, con una producción de 41 % del total del azúcar de caña que se produce en el mundo. En la tabla 2 aparecen los mayores y los menores consumidores de azúcar en el mundo. En Europa; América y Medio Oriente, prácticamente todos los países están por encima de

los 30 kg ; en Asia y África, 40 países están por debajo de ., los 10 kg. En estos momentos, en el

mercado internacional del azúcar se observa, que mientras se produce un estancamiento en el consumo de los países desarroll dos, a causa tanto de la saturación en el uso el azúcar, como al creciente impulso de los últimos sustitutos, nuevos mercados no tradicionales comenzarán a cobrar importancia . Los países europeos productores de remolacha han llegado- al máximo de capacidad de producción, en tanto que Asia deberá aumentar sus importaciones de azúcar, y África no tiene actualmente materias primas para elaborarla . En un balance de la realidad existente, se evidencia que América Latina tiene amplias posibilidades para abastecer estas demandas . Los convenios internacionales que sobre azúcar se han tenido en los últimos años, si bien han contribuido a armonizar algunas políticas entre países importadores y exportadores, no han logrado evitar las fuertes fluctuaciones en los precios del azúcar (Fig. 7), haciendo inestables las economías de países 'que dependen de las ventas de este producto . Las alzas y bajas, muchas veces imprevisibles, provocan . gran incertidumbre cuando se precisa trazar una tendencia futura (Fig. 7) . A causa de los altos precios del azúcar á partir de la primera mitad de los años setenta el

7

TABLA

TABLA

1

Mayores productores de azúcar de caña en el mundo (más de 600 000 t)8 Producción en

Países

Países

1979

1

(conr .) Producción en

Argentina

1410 783

República Dominicana

1200195

Cuba

7799968

Indonesia

1200000

Brasil

7361651

Colombia

1 107 268

India

6080339

Taiwan

923 923

México

3095408

Mauricio

728908

Australia

2960835

Perú

695 283

Estados Unidos

2653546

Egipto

600000

Filipinas

2390080

China

2250000

Africa del Sur

2142 542

Tailandia

1981403

1979

46 582132

a

TABLA

Fuente: sugar year book, 1980 .

2

Per cápita de azúcar en el mundo (kg)

Mayores

Países

Países

Menores

Costa Rica

64,8

Pakistán

9,9

Australia

55,3

Corea

6,9

Cuba

52,6

Alto Volta

Venezuela

51,4

China

4,2

Brasil

50,2

Viet Nam

3,9

Jamaica

48,2

Niger

2,5

Checoslovaquia

47,8

Zaire

2,2

Bulgaria

47,6

Bangladesh

1,9

Canada

47,5

Birmania

1,8

Polonia

47,2

R D P Lao

1,4

Kuwait

47,2

Uganda

1,1

Unión Soviética

46,1

Kampuchea

0,7

Arabia Saudita

45,3

México

44,1

EE. UU. en (49,8)

b

(1979) 6

1973

Fuente : Sugar year book, 1980.

43,1

.4,7

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR us

$/1 700-

600+

500-

4001

300-

200

100-

;s7e

66

70

~2

74

76

- .

AMOS

80

Fig. 7 Precio mundial del azúcar crudo.

fenómeno individual más importante de esta década fue el establecimiento del sirope de maíz, con el alto contenido de fructuosa (isoglucosa) como edulcorante nutritivo a nivel mundial. Con unos precios . más bajos y características semejantes a la sacarosa, la isoglucosa, es actualmente, el producto competitivo más sobresaliente entre todos los existentes. Las estadísticas y previsiones indican que la sacarosa podría reconquistar parte del mercado perdido, mediante una fuerte competencia de precios, lo que está internamente relacionado, entre otros aspectos, con las necesidades de disminuir los costos de producción . 1.2 DESARROLLO DE LA PRODUCCION DE DERIVADOS

A pesar de que la industria azucarera de caña ha tenido una amplia expansión en la mayor parte de los continentes, y de que su producción ha ido en ascenso constantemente, el desarrollo de los derivados comienza a iniciarse después del presente siglo. Los primeros usos de los subproductos fueron : utilización del bagazo como combustible, uso directo de las mieles en la alimentación animal y la fermentación de ésta para la producción de alcohol o de ácido cítrico .

El inicio del desarrollo de los derivados, con la creación de plantas industriales de importancia, comienza a partir de los años treinta, es en esta década que empiezan a realizarse esfuerzos tecnológicos significativos para hacer de los residuos de la fabricación de azúcar una fuente de materias primas competitivas para las industrias de pulpa y papel, fermentaciones y tableros. A finales de la década del cincuenta es cuando comienza, en mayor escala, la utilización industrial de los subproductos, agregándose, además, la producción de furfural y otros. A pesar de que la molécula de sacarosa se ha estudiado exahustivamente desde principios de siglo, realizándose infinidad de investigaciones y obteniéndose numerosos productos a escala de laboratorio, el desarrollo industrial de los derivados de sacarosa ha sido poco, manifestándose un mayor desarrollo en las últimas décadas, sobre todo en lo que se refiere a ésteres y detergentes . La industria de pulpa y papel es, entre todas las que utilizan los subproductos, la que más fuerte desarrollo ha experimentado ; las primeras fábricas con una producción comercial significativa, comenzaron su operación a fines de la década del treinta y, en la actualidad, hay insta-

CELULOSA MCRQA

CARBOXIMETIL CELULOSA

S

METL CELULOSA

I

NITRATO DE CELULOSA OXIETIL CELULOSA

PAPEL DE IMPRENTA Y ESCRIBIR '

ACETATO DE CELULOSA

NIDRO IMETIL CELULOSA ,

ETIL CELULOSA

RAYON CUERDA

CARTON LINER

CELOFAN

HILAZA TEXTIL

PAPEL TSSUé

CARTUUNA

PAPEL DE ENVOLVER PAPEL PARA SACOS

PAPELES ESPECIALES

FIBRANA TEXTIL

PULPA PARA DISOLVER

PULPA QUIMICA

M-CELULOSA)

FURfURAL

MI]. SEA ALCOHOL

LEVADURA

ALCOHOL FURFURILICO RESINAS OE FUNDiC10N RESINAS FURFURMAS

DERIVADOS DEL ETILENO

ALCOHOL TETRAHDROFUR Fig . 8 Potencial de los deriv

PAPEL

Tissue

TABLEROS DE

PRODUCTOS MOLDEADOS

BAGAm CEMENTO-

PAPEL PARA SACOS TABLEROS PAPEL GACETA

PAPEL DE

CARTONCILI.O

ENVOLVER

PAPEL DE IMPRENTA Y ESCRIBIR

TABLEROS

DE FIBRAS

DE PARTIgJLAS- .

,.

PULPA

PULPA

PULPA

PRODUCTOS

SEMIGUIMICA

QUIMIMECANICA

MECANICA

AGLOMERADOS

ENZIMAS - VITAMINAS ACIDO LACTICO -

DETERGENTES

METIONINA

SORBtTOL

ACIDO GLTAMICO ADURA IRULA

MANITOL

GLUTAMATO MONOSODICO

MIEL

PROTEICA

ALIMEMTO ANIMAL

FERTILIZANTE

ANThESPUMANTE POLIURETANOS

GUARAPO

MIEL

LEVADO RHODOTD

LA

-

LEVADO PANADE MEL- UR A EAGACLLD MIEL-UREA

ALCOHOL LEVADURA SACCHARDMYCES FUSEL OIL

MIEL PROTEICA . LEVADURA TORULA

LINAZA 002

,EV1DURA PARA DONS. HUMANO . . MEL SECA GOMAS MICROBIANAS ACIDOS - NUCLE1COS

de los derivados de la industria azucarera

AZOCAR

FARMACOS LEVADURA TORULA

CONCENTRADOS PROTEICOS

AGENTES OUELANTES OTROS ESTERES OTROS ETERES

CACHAZA

12

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR

ladas en el mundo más de 54 plantas, de las cuales 11 están en fase de ejecución. Entre los derivados que más desarrollo han alcanzado en el mundo se pueden citar: a) Pulpa y papel. b) Alcohol y levadura de recuperación . c) Furfural y derivados. d) Tableros . e) Levaduras . f) Llsina. g) Ácido cítrico . h) Glutamato monos6dico. i) Sorbltol. j) Productos para la alimentación animal. Los que a continuación se relacionan y otros derivados que harían la relación interminable, no han tenido tanto desarrollo ; aunque muchos países han industrializado algunos de ellos, realizándose, además, trabajos de investigación y análisis con vistas a su utilización: a) Bagacillo predigerido . b) Mieles hidrolíticas . c) Carbón activado. d) Dextrana . e) Cera de caña . f) Pulpa para disolver y derivados de la celulosa . g) Ésteres de sacarosa . h) Levadura rhodotorula. »'Ácido láctico . j) Acetona butanol. La diversidad de los productos que pueden ser obtenidos a partir de los subproductos de la caña es grande (Fig. 8), de todo esto se puede inferir que aun en los trabajos de investigación y desarrollo referentes a los derivados de la caña, queda un campo infinito de trabajo por realizar, sobre todo con los productos obtenidos por se-

gunda generación en los cuales es necesario trabajar exhaustivamente. Al hacer un análisis de la situación mundial, se puede afirmar que existe un gran número de derivados de la caña que se producen, actualmente, en el mundo, muchos de ellos son objeto de intercambio comercial y otros se utilizan en el mercado interno, no estando todavía bien establecidos en el mercado internacional. Se sabe que muchos países desarrollados han dedicado esfuerzos en el campo de los derivados y los han industrializado en su propio país o en países subdesarrollados que disponen de estas valiosas materias primas. Al hacer un análisis del panorama actual, podemos ver: aumento de las cantidades producidas, ampliaciones de los derivados, cambios tecnológicos, perfeccionamiento de los equipos y aumento de la eficiencia económica . En estos momentos, existen condiciones que indican las ventajas que representaría para los países productores de azúcar el desarrollo de los derivados.

2 . Aspectos que hay que considerar para la industrialización de los derivados La caña de azúcar se produce, por lo general, en países que están en vías de desarrollo y que se enfrentan a los obstáculos que son necesarios vencer para lograr la consecución del mismo. Para la industrialización de los derivados, se debe realizar el análisis de una serie de aspectos, que si no son bien estudiados pudieran incidir, desfavorablemente, en las decisiones que se deben tornar, entre las cuales están: 1. Transformación de la industria azucarera. 2. Disponibilidad de áreas cañeras. 3. Limitaciones para la utilización del bagazo . 4. Competencia en el uso de las mieles finales . 5. Alza sistemática del precio de los equipos. 6. Problemas de mercado de los derivados. 7 . Producción de derivados de segunda generación. Todos estos aspectos tienen una gran importancia para el desarrollo perspectivo, muchos de ellos son dinámicos y están interrelacionados entre sí, por lo que se hace necesario el examen de cada uno de ellos.

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZVCAR 2.1 TRANSFORMACION DE LA INDUSTRIA AZUCARERA

La industria azucarera se ha caracterizado, tradicionalmente, por una lenta evolución en su desarrollo tecnológico y pocos cambios en su estructura . Los costos de producción están por encima, en muchas ocasiones, de los precios en el mercado, por lo que es necesario trabajar con el objeto de su optimización . Para poder lograr su diversificación, la industria debe abordar los problemas encaminados a su modernización, considerando como factor básico la integridad en el crecimiento, analizando todas las posibilidades de aprovechamiento de los subproductos, por lo que los países productores deben ver el desarrollo perspectivo alrededor de complejos industriales . Para poder alcanzar al máximo el aprovechamiento de todas las posibilidades industriales de la caña, la industria azucarera se debe transformar de forma que el objeto que se deba alcanzar no sea sólo la producción de azúcar, sino el análisis de conjunto de todas las variantes y alternativas . 2.2 DISPONIBILIDAD DE AREAS CAPERAS Una de las tareas más importantes que deben abordar los países productores, es el aumento de los rendimientos de caña por hectárea y la modernización de la agricultura, al pasar de una fase extensiva a una intensiva. Además, la utilización de la caña para otros usos no convencionales, estaría limitada por la disponibilidad de áreas para su expansión. El incremento de rendimiento por hectárea se logra con el aumento de los recursos materiales a la agricultura, la obtención de nuevas variedades y la aplicación de bases científicas mediante la utilización del trabajo investigativo. Con estudios genéticos es posible lograr variedades con mayor contenido de fibras o crecimiento en tiempos menores . 2.3 LIMITACIONES PARA LA UTILIZACION DEL BAGAZO A causa de las características del bagazo, de ser un adecuado combustible y haber sido utilizado, tradicionalmente, como fuente de energía en la fabricación de azúcar, se establece una situación de competencia, cuando se analiza el desarrollo de las industrias derivadas a partir de esa materia prima . En la mayoría de los países que producen azúcar de caña se hace necesario utilizar todo el bagazo como combustible y, en algunas ocasiones, se emplea, además, cantidades importantes de combustible adicional .

13

Aun en nuestra época, se han, proyectado centrales azucareros sin considerar mayores eficiencias térmicas que las necesarias para mantener el equilibrio entre el bagazo producido y el incinerado. En pocos casos se ha tenido en cuenta la necesidad de otros usos del bagazo y se ha calculado una máxima eficiencia energética para lograr un sistema integral azúcar-derivados. Una de las ventajas que ofrece la industria azucarera respecto a la remolacha, es que la caña proporciona su propio combustible. Con los problemas existentes de las fluctuaciones del precio del azúcar, se hace necesario garantizar una mayor economía en el proceso azucarero, lo cual sólo será posible mediante el uso más eficiente del bagazo . Estudios realizados en el campo de la ingeniería permiten afirmar que se puede obtener de 30 a 50 % de bagazo sobrante . El fuel oil tiene un precio aproximadamente de US $170/t (170 dólares estadounidenses/ t) en el mercado. Cuando se razona, en los términos tradicionales, de que 6 t de bagazo húmedo sustituyen 1 t de petróleo, el precio del bagazo húmedo es de US $28/t, por lo que es evidente para los países productores la necesidad de quemar, eficientemente, el bagazo y obtener, además, un sobrante para su utilización industrial, sin dejar de considerar la obtención de energía eléctrica adicional dentro de las fábricas . En la tabla 3 aparecen distintas capacidades de centrales y el bagazo que pudiera haber disponible para diversos usos, si se obtuviera entre 30 y 50 % de bagazo sobrante, así como el valor del mismo a los precios actuales del petróleo. En la tabla 4 se analiza, teóricamente, en millones, el bagazo que se podría obtener si hubiera 30 y 50 % del mismo sobrante en el mundo y América Latina . Si esas cantidades de bagazo sobrante se valoran al precio del petróleo, América Latina tendría en dólares estadounidenses entre 821 000 000 y 493 000 000 por este concepto . En la mayor parte de los países que han industrializado el bagazo, lo han hecho sustituyendo éste por petróleo en los centrales azucareros ; de las cifras mostradas en la tabla 4 se desprende la necesidad de- estudios energéticos con vistas a la utilización económica del bagazo . Antes de decidir qué tipo de industria de productos derivados del bagazo se va a instalar, hay que considerar el tamaño de los centrales y la cercanía entre los mismos, por lo que es conveniente ver los insumos de diferentes fábricas de derivados dentro de sus rangos de economías de escala (Tab. S) . Las fábricas de pulpa y papel tienen grandes requerimientos de bagazo al año aunque el índice por tonelada de producto no es alto. Las fábricas de pulpa para disolver, furfural y carbón activado, presentan altos índices de consu-

TABLA 3 Valor de bagazo sobrante (considerando el petróleo a US $170 y 120 d de zafra)

Capacidad de molida (t/d)

Toneladas de bagazo suponiendo 30 % bagazo sobrante

Toneladas de bagazo suponiendo 50 % bagazo sobrante

US $ 511°

US $ 30%

11400

103 515

172 524

2933010

4888180

6800

62 093

103 487

1759 160

2932160

4 500

41422

69 036

1173680

1956 020

TABLA 4 Cantidad y valor del bagazo sobrante Bagazo sobrante Producción millones de Millones de toneladas toneladas (30%) (50%) Mundo

120

América Latina

58

Millones US $ (30%)

Petróleo US $170 (50%)

36

60

1020

1700

17,4

29

493

821

TABLA 5 Insumos de bagazo de diferentes plantas de derivados

Fábrica de:

Toneladas de bagazo b.h. por tonelada de producto

Capacidad de la planta (t/a)

Requerimientos de bagazo (t/a)

Papel periódico

3,2

100 000

320 000

Papel de imprenta y escribir

5,6

60 000

336 000

Pulpa para disolver

13,3

40 000

532000

Furfural

27

5000

135000

Miel hidrolítica

2,61

46 000

120 060

Tableros de partículas

1,95 t/m3

55 000 m3

107 000

Carbón activado

17

5000

85000

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

mo de materia prima por tonelada de producto . En la mayoría de las producciones de derivados a partir del bagazo, se requiere del procesa del desmeollamiento, a excepción de las fábricas de furfural, miel hidrolítica y carbón activado, por lo que dentro de la problemática de utilización del bagazo debe ser abordada también la del uso del meollo. 2.4 COMPETENCIA EN EL USO

DE LAS MIELES FINALES

La miel aunque ha presentado fluctuaciones en sus precios en el mercado mundial, la tendencia de éstos ha sido ascendente, sus precios promedio están alrededor de los US $100/t de producto, aunque éstos ya comenzaron a descender en la última etapa . Cuando se valoran los costos de producción de cualquier derivado, al precio que tienen las mieles, es difícil obtener una rentabilidad aceptable . El alza de los precios se 'debe, básicamente, a su demanda para la alimentación animal, en los países no productores y a su utilización para los mismos fines o para otros usos, por parte de los países productores . A los países en vías de desarrollo les es difícil decidir entre vender las mieles a altos precios o producir determinados productos . El costo de producción de las mieles es muy bajo, por lo que se pueden producir en ciertas épocas del

año, en que es más conveniente esta producción que la obtención de azúcar. Entre las alternativas que hay que analizar con el objeto de solucionar la problemática de las mieles, está la de dedicar la caña directamente para determinadas producciones que tengan un mercado asegurado o que por decisiones gubernamentales sea conveniente producir . Otra alternativa que es conveniente estudiar y someter al análisis económico, es la obtención de carbohidratos a través de los residuos celulósicos . 2.5 ALZA SISTEMÁTICA DEL PRECIO DE LOS EQUIPOS Los países azucareros se enfrentan a las fluctuaciones constantes del precio del azúcar y al alza sistemática del precio de los equipos que deben adquirir para establecer nuevas industrias. El precio de las fábricas de derivados depende del tipo de industria que se requiera instalar ; las de mayor valor de inversión son las fábricas de pulpa y papel . En la tabla 6 aparecen distintos valores de inversión de fábricas de derivados . Los valores de inversión por tonelada de las plantas de lisina y ácido cítrico (Tab. 6) son elevados, estos productos se venden en pequeñas cantidades a altos precios .

TABLA 6 Valores de inversión de fábricas de derivados (año base 1977)

Fábrica de :

Papel periódico

Capacidad anual (t)

Valor de la inversión US (millones US $)

Valor de la inversión US $lt de producto

100000

100-130

1000-1300

Papel de imprenta y escribir

60 000

140-160

2300-2700

Pulpa para disolver

40000

70-90

1750-2250

5000

13-16

2600-3200

Miel hidrolítica

46000

7-10

152-217

Tableros de partículas

55 000 m9 aprox.

Furfural

Carbón activado

5000

15

aprox.

15

273/m9

10

2000

Alcohol (mieles sin torula)

30000

13-15

Torula

12000

15

1250

Lisina

5000

45-65

9000-13000

Ácido cítrico

5000

17-22

3400-4400

434-500

16

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

2.6 PROBLEMAS DE MERCADO DE LOS DERIVADOS Algunos derivados no tienen amplio uso en los países productores de caña, a causa del poco desarrollo de la industria química y alimenticia, per cápitas bajos de consumo, hábitos de la población, etc . La comercialización de los derivados crearía fondos exportables, por lo que se podrían presentar dificultades en el mercado a causa de la competencia con los productos de los países industrializados . Es conocida la necesidad de instalar plani."a en los rangos de economía de escala y operadas con técnicas modernas, esto trae aparejado la necesidad de la especialización y cooperación entre los países productores, con el objeto de desarrollar aquellos derivados que ofrecen mayores ventajas dentro de sus condiciones particulares . 2.7 PRODUCCION DE DERIVADOS DE SEGUNDA GENERACION Existen numerosos derivados de segunda generación que pueden ser producidos a partir de los derivados primarios, muchos de ellos no están industrializados o han alcanzado su industrialización en países no productores, que compran el derivado primario o lo obtienen de otras materias primas . Entre los productos que más posibilidades tienen para la obtención de derivados de segunda generación se encuentra el furfural, la pulpa para papel, la pulpa para disolver y el alcohol ; el uso de ellos se corresponde con un fuerte desarrollo de la industria química, unido a esfuerzos investigativos . 3 Solución a los problemas que presentan los países azucareros Los países azucareros, al igual que la humanidad, tienen que enfrentarse a la solución de 2 grandes problemas : los alimentarios y los energéticos . La caña de azúcar puede ser utilizada para resolver estos problemas, aunque, lógicamente, entraría en una posición de competencia su uso como alimento contra su uso como combustible . Hay 2 formas principales de utilización de la caña : destinada a producir azúcar, aprovechando al máximo sus subproductos, o utilizarla directamente para otros usos como la producción de combustible . Los países productores de azúcar de caña tienen que enfrentarse a las fluctuaciones del precio en el mercado mundial del azúcar, el alza continuada en los costos de producción, lento desarrollo de la tecnología, áreas de cultivos extensivas y poca utilización de los subproductos . Entre algunas de las características de las

economías en desarrollo, resalta la necesidad de importar cada día mayores cantidades de papel y la continua exportación de maderas . Los consumos de maderas aserradas, paneles y papel, en los países en vías de desarrollo, son muy inferiores a los de los países desarrollados, tanto en cifras absolutas como en per cápita. En la tabla 7 aparecen los per cápita de madera aserrada, paneles y papel de los países desarrollados y en desarrollo . TABLA 7 Per cápitas de madera aserrada, paneles y papel, en países desarrollados y en vías de desarrollo

Concepto

Consumo de madera Per cápitas aserrada de papeles Papel (m3) (m3) (kg)

Países desarrollados

0,3

0,1

Países en desarrollo

0,02

0,002

e

150 6

Fuente : FAO. La agricultura hacia el arlo 2000.

El per cápita de consumo de alimentos en los países subdesarrollados está, en muchas ocasiones, por debajo de los niveles considerados por la FAO como mínimo . La necesidad del sostenimiento de los requerimientos de la alimentación animal obliga a altas dependencias de piensos importados. Los países azucareros están obligados a importar una serie de productos, cada día más caros, uniéndose a esto, pocos productos para poder desarrollar el mercado externo . El alza del precio del petróleo ha traído como consecuencia la subida del precio de sus derivados y de otras producciones . La caña de azúcar, materia prima de gran valor, de propiedades excepcionales desde el punto de vista alimenticio y energético y con capacidad de renovarse en cortos períodos de tiempo, será capaz, con su uso racional y la utilización de modernas tecnologías, de dar respuesta a gran número de problemas relacionados con el crecimiento de la población y del mejoramiento de sus niveles de vida, entre los que se puede señalar: 1. El desarrollo de los derivados permite diversificar la economía de los países azuca. reros, que no tienen que depender de las alzas y bajas de un solo producto. 2. La escasez creciente de muchas materias primas no renovables anualmente, como

17

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

la madera, permite ventajas al bagazo en la producción de pulpa y tableros. 3 . Los derivados sustituyen importaciones y/o constituyen fondos exportables . Las tendencias alcistas en los precios de los derivados hacen rentables gran número de estas producciones . 4. La escasez de piensos, en muchos países, hace que las mieles, el bagacillo, la paja y el cogollo sean cada día más importantes para la alimentación de la masa ganadera. 5 . La utilización directa de la caña como materia prima puede contribuir a solucionar problemas alimentarios o energéticos . A todo esto hay que añadir que en las condiciones actuales se abren, aceleradamente, nuevos caminos para los derivados : 1 . El desarrollo de la industria química permite nuevas posibilidades a diversos derivados destinados como materia prima para esta industria. 2. El desarrollo y conocimiento de los derivados, en algunos países, ha permitido que procesos, que hasta ahora sólo eran cono cidos teóricamente, sean dominados en la práctica. 3 . Existen productos que por su alta eficiencia económica - o por lo específico de su uso, no están amenazados a ser sustituidos por la petroquímica. 4 Caña de azúcar La caña de azúcar es una gramínea del género Saccharum, con aspecto de hierba, pero se diferencia sustancialmente de ésta, por su alto contenido de azúcares . Se cultiva en zonas tropicales y subtropicales, las condiciones climáticas, los suelos y las variedades que se siembran, influyen en sus rendimientos agrícola y de azúcar. Tradicionalmente, la caña se ha sembrado con un único objeto : producir azúcar, pero cuando se analiza su composición y las posibilidades que ofrece, se puede ver, fácilmente, que puede darnos infinidad de productos capaces de diversificar la economía de los países que la cosechan. Los rendimientos de la caña de azúcar, comparados con otras plantas similares, son superiores en términos de materia seca y en contenido de carbohidratos . Aunque el rendimiento de la caña es muy variable se puede obtener un promedio de 38 t de materia seca/ha/a, según

se puede apreciar en la tabla 8, donde se compara el rendimiento de la caña con el de otros cultivos similares . TABLA 8 Materia seca producida por hectárea por año para diferentes cultivo-t'

Cultivo Caña de azúcar (bajo rendimiento

43 t/ha/a)

Materia seca medida en:

Materia seca

(t/ha/a)

Caña completa

15,5

103 t/ha/a)

Caña completa

38,0

Caña de azúcar (según se cultiva en Hawaii)

Caña completa

90,0

Planta completa (incluyendo mazorca y granos)

9,5

Planta completa (incluyendo la espiga)

5,5

Planta completa : Tecnología vieja

4,0

Caña de azúcar (alto rendimiento

Maíz (una cosecha al año)

Trigo

Arroz

Tecnología nueva

9,5

Remolacha azucarera

Planta completa (promedio)

12,0

Pastos tropicales

Pangola

20,0

Hierba elefante

35,0

d

Fuente : "Sugar cane: energy relationships with fossil fuels." J . C. Hudson, The Sugar Journal, Oct., 1975 .

Los países que cuentan entre sus recursos naturales con caña de azúcar, materia prima de gran valor, de propiedades excelentes desde el punto de vista alimenticio y energético y con capacidad de renovarse en cortos períodos de tiempo, podrán, con su uso racional y la utilización de modernas tecnologías, dar respuesta a gran número de problemas relacionados con el crecimiento de la población y el mejoramiento de sus niveles de vida. Los subproductos de la industria azucarera se pueden agrupar según la forma en que se obtienen en : los que se originan durante la cosecha de la caña, cogollo, hojas, paja; y los que resul-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

18

TABLA 9 Por cada 100 t de cañas

t

CAÑA INTEGRAL

TALLO

Azúcar

12,5

Cogollo

18,4

Hojas y paja

42,9

Miel final 88 °Bx

3,6

Cachaza 77'% humedad

3,4

Bagazo 50 % humedad e

Fig. 9 Subproductos de la industria azucarera.

tan del proceso industrial, el bagazo, las mieles finales y la cachaza (Fig. 9) . Durante la cosecha y el proceso tecnológico de producción de azúcar es posible obtener por cada 100 t de caña lo que se muestra en la tabla 9. La producción de pajas, hojas y cogollo en la caña varía apreciablemente ; en estas cantidades influyen las variedades, el sistema de regadío, la época de recolección y otras . La caña es capaz de convertir gran cantidad db energía solar en energía química, cuando se

27,5

Fuente : Ministerio de la Industria Azucarera (Cuba).

cosecha en lugares donde existen condiciones climáticas adecuadas para su crecimiento . Considerado en términos de materia seca su valor calórico, está alrededor de 4 000 kcal/kg. La caña se compone, básicamente, de azúcares, prin. cipalmente de sacarosa y de carbohidratos es. tructurales del complejo lignocelulósico, . su contenido de proteínas es bastante bajo y no presenta otros compuestos en abundancia significativa. Estos azúcares y el complejo lignocelulósico tienen características de utilización diferentes. A partir de los sacáridos de la caña de azúcar mediante vía fermentativa o química, se obtienen productos intermedios o finales que se pue. den utilizar en distintas ramas como la agropecuaria, las industrias alimenticia, química, ligera y farmacéutica . A través del complejo lignocelulósico se incide en la industria energética, ya que existe la posibilidad de suministrar combustible en forma sólida, líquida o gaseosa o generar electricidad. El complejo lignocelulósico está compuesto, básicamente, de celulosa, lignina y pentosanas . A partir de ellas se puede obtener celulosa y papel, furfural, tableros y otros productos que se pueden convertir en una sólida fuente de adquisición de divisas . 4.1 TENDENCIAS DE- UTILIZACION DE LA CAÑA La crisis energética con que se enfrenta la humanidad, ha provocado que se investigue las formas de dar respuesta a estos problemas a través de vías no convencionales hasta estos momentos, pero que ya comienzan a tomar características permanentes ; muchos países han comenzado a analizar sus políticas para la solución más adecuada de la crisis . Los países productores de caña pueden dar respuestas, además

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZVCAR de a los problemas alimentarios, a los problemas energéticos, así como al desarrollo de gran cantidad de productos intermedios y finales que, actualmente, son del campo de la petroquímica. Del análisis de la bibliografía y de los estudios que se realizan, se observan nuevas tendencias, dentro de las distintas variantes y posibilidades, en el uso de la caña, entre las que se encuentran : 1 . La producción de alcohol, a partir de la caña u otras fuentes renovables, es la alternativa que más se ha generalizado, toman do mayor auge en Brasil, aunque también se pueden citar otros países como Hawaii, Estados Uñidos, Filipinas, Puerto Rico, que estudian, insistentemente, la problemática . 2. Utilización directa de la caña como alimento animal, sobre todo en épocas de sequía o en terrenos marginales . 3. Utilización de la caña para producir mieles ricas, mieles integrales y miel proteica, esta última consiste en una mezcla de meladura de caña con crema de levadura torula, este producto debe tener una viscosidad parecida a la miel final ; el país que más ha trabajado con esta problemática es Cuba.

l9

En la figura 10 se esquematiza, gráficamente, estos usos directos de la caña .

5 Utilización de los residuos de la cosecha A causa de la necesidad de eliminarle a la caña' que va a ser transportada al central, la mayor cantidad de cogollo y hojas, en el campo queda un potencial disponible lo suficientemente grande como para estudiar en detalle sus formas de aprovechamiento. Hasta el presente, los estudios realizados sobre la utilización de los residuos han sido pocos, su mayor uso es para la alimentación del ganado . Las mejores perspectivas, en cuanto a su uso, la presentan: la alimentación animal, la generación de electricidad, como com busfible directo o en la gasificación. Las aplicaciones industriales, como la producción de furfural, tableros y otros derivados, presentan menores posibilidades: en la figura 11 aparecen gráficamente éstas. En Hawaii se han comenzado a 'utilizar el cogollo y la paja, .además del bagazo para la generación de electricidad, para vender a la red nacional y para satisfacer las necesidades del ingenio . La paja tiene un valor calórico de 3 800 kcal/ /kg, con 10 % de humedad, mientras que pe-

Fig. 10 Utilización directa de la caña.

el

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

20

6 Utilización del bagazo

FORRAJE ALIMENTO ANIMAL

COMBUSTIBLE DIRECTO 0 GASIFICACION

GAS DE aiNTESIS

HOJAS Y COGOLLO FURFURAL Y DERIVADO$

PROTEINA UNICELULAR

ALCOHOL'

Fig. 11 Productos a partir de residuos de la cosecha: hojas y cogollo.

tróleo que se quema industrialmente tiene un valor calórico de 9 800 kcall kg. La composición media 'de los residuos de la cosecha es la siguiente : proteína 5,31 ; grasa 1,41 ; fibra hasta 37,43; ceniza 7,30 . Cuando se comparan estos residuos con otros, como, por ejemplo, la paja de arroz, paja de trigo, se comprueba que, en general, como alimento tiene un valor nutritivo superior. Los residuos recogidos a granel no pueden ser conservados, mientras que aquéllos empacados con un adecuado contenido de la materia seca, pueden ser almacenados durante un tiempo considerable, además de que se puede transportar el doble de material por unidad de volumen. En la alimentación animal se han logrado buenos resultados cuando los residuos se trataron con NaOH, lográndose una digestibilidad de 50 DAD sin necesidad de moler finamente . Se reporta que cuando los residuos se transportan juntamente con la caña hasta el centro de acopio, donde se recuperan, se pueden obtener costos del orden de US $7-9/t . Cuando se recogen directamente de forma mecanizada y se transportan en forma independiente, se pueden obtener costos del orden de US $10 - 14/t . Para llegar a una utilización integral de las hojas y el cogollo, indudablemente que es necesario realizar estudios de índole técnico-económicos, básicamente referidos a su recolección, transporte y alternativas de aprovechamiento .

El bagazo es el residuo fibroso qué se obtiene de los molinos del central azucarero durante el proceso de extracción del jugo para la fabricación de azúcar . El uso tradicional de éste ha sido como combustible en la industria azucarera . El valor calórico alto, o bruto del bagazo seco es de 4 600 kcallkg y el valor calórico bajo o neto es de 4 250 kcallkg . Muchos centrales azucareros se han concebido desde el punto de vista energético para producIr vapor e incinerar el bagazo, sin uso en otras épocas, por tal razón, la eficiencia de su utilización es baja, así como la energía demandada en el proceso fabril mayor que el de las tecnologías energéticas modernas. Éstas permiten operar las calderas de bagazo a eficiencias de 80 u 85 DiD, que junto con el uso de sistemas de múltiple efecto con extracción, se pueden lograr sobrantes de bagazo del orden de 30 a 50% .

Desde el punto de vista morfológico, el bagazo consta de 2 fracciones, la fibra, que constituye alrededor de 60 - 65 OSO, y el meollo que es 35 - 40 DAD . La fibra es la parte industrialmente deseada para la producción de pulpas para papel y tableros, ésta se separa del meollo mediante distintos procesos de desmeollamiento, en una o más etapas, y, en distintos grados, según sean las necesidades de la industria . En los momentos actuales en que el precio del petróleo (Fig. 12) ha subido en el mercado mundial, es imprescindible pensar en bagazo sobrante para una industrialización, unido a la transportación del mismo en los casos en que sea necesario. El estudio de la utilización del bagazo se dividirá en 4 grupos: 1 . Celulosa y papel. 2. Industria hidrolítica . 3. Tableros . 4.

Carbón activado. 6.1 CELULOSA YPAPEL

Pulpa y papel: la industria de pulpa y papel tiene, mundialmente, y, en especial, en los países desarrollados, una gran importancia . Se caracteriza por influir, de manera notable, en el desarrollo cultural de los pueblos y, a la vez, es productora de insumos importantes de prácticamente todos los sectores industriales. En muchos países en vías de desarrollo constituye una in-

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22

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR

dustria estratégica ; es una eficiente sustituta de importaciones, produce saldos favorables sobre la base de su aceptable relación de costos internos y externos . En las 2 últimas décadas, la utilización del bagazo en la industria de pulpa y papel, se ha incrementado significativamente, en la actualidad alcanza niveles que están alrededor de los

2 000 000 t de papel/a . Existen en operación, aproximadamente, 54 fábricas, distribuidas en alrededor de 24 países del mundo . De estas plantas, 11 están en proceso de ejecución . En la tabla 10 aparecen las fábricas de pulpa y papel existentes en el mundo, de acuerdo con los datos que reporta la literatura.

TABLA 10 Fábricas de pulpa y papel de bagazo en el mundos Países

Nombre

Localización

Capacidad (t/a)

Producto

Puesta en marcha

Africa A. del Sur

Ngoye Paper Mills

Felixton

60000

Medios corrugados

A. del Sur

Stanger Pulp and Paper Co.9

Durban

40000 57000

Pulpa Tissue finos

Egipto

Egiptian Sugar and Distilleries Co. Ltd.

Edfu

50000

Papel imprenta y escribir

20000

Pulpa

1953

1984

Mozambique Al Nasr Co .

Kous

18000

Pulpa mecánica

1965

Mozambique -

Sofala Area

60000

Pulpa

1986

Norte y Centro América Costa Rica

-

Turrialba

18000

Papel

Cuba

Papelera Guillermo Geilin (Técnica Cubana)

Matanzas

24000

Papel imprenta y escribir

1959

Cuba

Papelera Sergio González (Damují)

Cienfuegos

21000

Liner y cartoncillo

1957

Cuba

Papelera Cap. Roberto Rdguez . (Pulpa Cuba)

Trinidad

27000

Liner y cartoncillo

1960

Cuba

Proyecto Cuba-9

Quivicán

9000

Cuba

Emp. Combinada para Ind. Química (Uruguay)

60000

Pulpa

1981

60000

Papel imprenta y escribir

1982

45000

Pulpa blanqueada, cartón

1976

Jatibonico

E. Unidos

Valentine Pulp and Paper Co.

Lock Port, La.

México

Mexicana de Papel Periód.

Tres Valles, Veracruz

Papel periódico

100000

Papel periódico

Después 1981

TABLA 10 (con.)

Localización

Países

Nombre

México

Cía. Industrial San Cristóbal

Escatepec

México

Fca. de Celulosa El Pilar S. A.

Ayotla

Capacidad (t/a)

76000 22500 (ampliación)

Producto

Puesta en marcha

Pulpa y papel de imprenta y escribir

1956

Pulpa blanqueada

1980

México

Kimberly Clark México S.A.

Orizaba, Veracruz

60000

Pulpa blanqueada, papeles de imprenta y escribir y tissue

México

Cia. Industrial de Ayotla S.A.

Ayotla

30000

Pulpa blanqueada

México

Productora de papel S.A .

Monterrey

18000

Pulpa para corrugar

Puerto Rico

Pan American Paper Mill Co .

Arecibo

18000

Pulpa de alto rendimiento

Tucumán

90000

1959

América del Sur Argentina

Papel de Tucumán

Pulpa Papel periódico

1982

30000

Pulpa y papel

1965

7500

Pulpa y papel

1943

22500

Pulpa y papel

110000 Argentina

Ledesma SA .

Jujuy

Argentina

Ebro Mill

Villa Ocampo

Argentina

Celotex Argentina S.A .

Rosario

Argentina

Celulosa Argentina S.A .

Tucumán

6000

Papel para envolver y sacos

Argentina

Papelera del Norte

Tucumán

6000

Pulpa sin blanquear

Brasil

Celubagazo Ind. Comercio S . A.

Campos

-

Cartón

Brasil

Cia. Inds . Brasileira Portela

Jaboatao, Pernambuco

20000

Pulpa

Brasil

Fab. de Papel e Celulosa

Morgantí Picacirubo

6000

Brasil

Refinadores Paulistasa

Sao Paulo

15000

Brasil

Industrias Reunidas S. A.

Matarazo

Brasil

Rigera Cellulosa e papel

Brasil

Papelao Ondulato do Nordeste

1981

Pulpa y papel Pulpa blanqueada

6000

Pulpa sin blanquear

Sao Paulo

30000

Pulpa sin blanquear

Recife

30000

Pulpa alto rendimiento

1952

1978

TABLA 10 (cont.) Capacidad (t/a)

Puesta en marcha

Países

Nombre

Localización

Brasil

Papelao Ondulato do Nordeste

Alagoas

30 000

Pulpa blanqueada

1979

Brasil

Papeis finos do nordeste s

Igarasu

20000

Pulpa sin blanquear

1980

Colombia

Fca . Nacional de Cartón S. A.

Cali

15000

Pulpa

1981

Colombia

Papelcol S. A.

Valle del Cauca

87 000

Pulpa

1984

70 000

Papel imprenta y escribir

1984

Producto

Colombia

Productora de papeles S. A.

Cali

75000

Pulpa y papel

-

Colombia

Grace Co.

-

26 000

Pulpa y papel

_

Ecuador

Papelera Nacional S. A.

San Carlos

8 600

Papel

1967

Peru

Sec . Agrícola Paramonga Ltd .

Paramonga

37 500

Pulpa

1939

82 500

Pulpa y cartón

_

Pulpa no blanqueada

1952

Pulpa (papel periódico)

1978

Penó Peru

Papelera Trujillo S. A.

Trujillo

60000

Peru

Industrias del Períi

Hiclayo

110 000

Perú

Celulosa y Papelera del Norte

Cayalti

7 500

Venezuela

C. A. Venezolana Pulpa y Papel (Venepal)

Morón

45 000

Pulpa sin blanquear

Venezuela

1963

Guanere Papelera

Río Guanere

45000

Pulpa blanqueada

1978

Nargarhar

30000

Papel envolver

1986 1960

Pulpa no blanqueada

Asia Afganistán China

Pearl River Paper Co.

Canton

13000

Pulpa blanqueada

China

Fab. Shituo Mar del Sur

Prov. Kwong tung

44000

Pulpa y papel, imprenta y escribir

Filipinas

-

Calumping

Filipinas

Paper Div . Central Azucarera de Baís

Bais

12000

Pulpa blanqueada

1949

Filipinas

United Pulp and Paper

Calumping

30000

Pulpa y papel

1973

India

(*) The Bengal Paper Co.

Raniganj

7 500

Pulpa y papel

India

Mandya National Paper Mills Ltd .

Belagule

15000

Papel escribir

180 000

Papel sacos

1962

TABLA 10 (cont .) Capacidad (t/a)

Producto

Puesta en marcha

Paises

Nombre

Localización

India

Northern India Paper Mills Ltd.

Meerut (U. P.)

18 000

Papel escribir y envolver

1963

India

Rohtas Industry Ltd.

Dalmianagar

60000

Pulpa blanqueada

1951

India

Seshasayee Paper and Board Ltd.

Erode (Madras)

30 000

Pulpa y papel

1963

India

Tamil Nadu Goverm

Pyllipalayan

80000

Pulpa

1984

Indonesia

P. T. Eureka Alba

East Java

Papel envolver

1981

Indonesia

P. N. Kertas Letjes

Probolinggo

70000

Pulpa

1983

60000

Papel

-

90 000

Pulpa

90000

Papel periódico

1986

Indonesia

Newsprint Paper

Letjes, East Java

6 000

Indonesia

P. T. Pakerin

East Java

24000

Papel imprenta y escribir

1980

Indonesia

Sack Kraft Paper Millg

Central Java

90000

Pulpa

1985

90000

Papel saco

Iraq

Irak Government State

Mizan (Al Amarah)

21000

Pulpa

1980

Iraq

Enterprise for Paper Indust.

Al Amarah

75000

Sacos Kraft

1979

40000

Pulpa no blanqueada

Iraq

Basrah pulp and paper

Basrah

18000

Paquistán

PIDC

Jamshoro, Sind

30000

Pulpa

33000

Papel imprenta y escribir

22 000

Pulpa

22 000

Papel periódico

60000

Papel periódico y escribir

60000

Pulpa

Paquistán

Paquistán

PIDC

PIDO

Near Thatta Sind

Kmalia, Faisalabad

-

1967 Proy .

Proy .

1986 -

Paquistán

PIDCg

Near Jaranwala, Punjab

30 000

Pulpa

Proy.

Paquistán

Pakistan Paper Co.

Charsadde

30000

Pulpa blanqueada

1970

Paquistán

Pakistan Paper Co.

Jamshoro

30 000

Pulpa blanqueada

1979

26

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

TABLA 10 (cont.)

Países

Nombre

Localización

Irán

Pars Paper Co. Ltd.

Haft Toppet

Irán

Karun Agro-Industries

Shushtar

Capacidad (t/a)

82 500

Producto

Puesta en marcha

Pulpa blanqueada, papel y cartón

180000 .

Pulpa

180000

Papel imprenta y escribir (proyecto)

1985

Irán

Pars Paper Co.

Hoft Toppeh

18000

Pulpa blanqueada

Tailandia

Siam Pulp and Paper

Ban Pong

24000

Pulpa

1982

Tailandia

Siam Kraft Paper

Ban Pong

21000

Pulpa sin blanquear

1967

Taiwan

Pingtung Pulp Factory

Pintung

90000

Pulpa blanqueada

1977

Taiwan

Hsingying Pulp and Paper

Hsingying

45000

Pulpa blanqueada

1958

Taiwan

Alrededor de 39 pequeñas fábricas que producen 60 000 tla

Pulpa

1984

Europa

España

Empresa Nacional de Celulosa de Motril

Andalucía

27000

Mackay, Queensland

150000

Oceania Australia f B

Marubeni-Greace

Fuentes : Projected pulp and paper mills in the world 1980-1990. PAO, 1981 . J. M. Paturau: By-products of cane sugar industry. Elsevier Publishing Co., London, 1982. Además del bagazo utilizan otro tipo de fibra.

Existe una gran diferencia en los consumos per cápita de papel y cartón entre los países desarrollados y los países en vías de desarrollo, por lo que la producción de papel a partir de bagazo puede ser una vía para incrementar estos consumos (Tab. 11) . La industria de pulpa y papel a partir de bagazo, mundialmente establecida, se basa en la utilización de procedimientos químicos y semiquímicos alcalinos, para llegar al grado de deslignificación necesario, para obtener una pulpa adecuada para cada tipo de papel. En la figura 13 se muestran las distintas producciones de pulpa y papel que se pueden acometer a partir del bagazo.

La producción de pulpa y papel se debe considerar en lugares donde existan grandes centrales azucareros o en lugares donde el bagazo pueda ser transportado . A pesar de que últimamente están apareciendo estudios donde se habla de las ventajas de plantas de pulpa y papel pequeñas, se debe señalar que el valor de la inversión en este tipo de plantas es alto, por lo que la depreciación tiene gran . influencia en los costos. No obstante, bajo ciertas condiciones, son convenientes las producciones en pequeñas escalas de pulpas mecánicas y semimecánicas, en lugares donde existan capacidades para obtener el bagazo sobrante necesario. Estas plantas, además, necesitan un suministro adecuado de ba-

27 TABLA 11

TABLA 11 (cont.)

Consumos per cápita de papel y cartón en .kilogramos (países seleccionados) año 1979h Países

Países

11

Países

Países

África del Sur

40

Mozambique

3

URSS

33

Bolivia

3

Argentina

33

India

2

México

27

Haití

1

Viet Nam

27

Etiopía

0,4

Estados Unidos

289 Filipinas

Canadá

215

Iraq

9

R.F.A.

205

República Dominicana

9

Japón

151

Perú

9

26

Gambia

0,3

Bélgica

145

Zimbabwe

Brasil

7

Cuba

19

Zaire

0,3

Reino Unido

134 Egipto

7

17

R. P. China

Colombia

Mali

0,2

5

Irán

13

Taiwan

80

Venezuela

56

Angola

4

Yugoeslavia

46

Zambia

4

h

Fuente : Review PPI, 1980 .

Fig. 13 Pulpa y papel a partir de bagazo.

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30

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZVCAI2

gazo, agua suficiente, disponibilidad de los efluentes, así como lograr la solución del problema de la contaminación ambiental . Para el éxito del proyecto también es de vital importancia aplicar procedimientos económicos de manipulación, embalaje, transporte y almacenamiento de bagazo, además es necesario darle solución a los problemas del petróleo. Las plantas de pulpa y papel, además de proporcionar empleo a gran número de trabajadores, proporcionan un balance favorable de divisas. En las figuras 14 y 15 aparece la evolución de los precios de las pulpas y papeles, en ambas se observa que estos productos tienen un incremento sostenido de los precios, entre los que se destacan la de los papeles bond, los que se pueden producir, con grandes ventajas, a partir del bagazo. 6.1.1 Indicadores técnico-económicos del papel periódico

TABLA 12 Indices de consumo fundamentales por tonelada para la producción de papel periódico Bagazo integral (50%)

3,2

Pulpa kraft semiblanqueada

0,190 t

Combustible Electricidad

t

200 0,42 1500

Una planta para producir papeles de imprenta y escribir con una capacidad de 60 000 t/a, tendría un valor de US $140 000 000 a $ 160 000 000. Los insumos fundamentales por toneladas son los que se muestran en la tabla 13. TABLA 13 Insumos fundamentales por tonelada pa0a la producción de papel de imprenta y escribir Bagazo integral (50%)

Pulpa kraft blanqueada Agua Combustible Electricidad

Uno de los problemas fundamentales que ha confrontado el desarrollo del papel periódico es el de lograr un papel económicamente aceptable . No obstante, países como México y Perú han ido a la instalación de plantas para esas producciones . En Cuba se ha instalado una planta semindustrial (Proyecto Cuba-9) para estudiar, entre otros problemas referentes a la problemática de celulosa y papel, los de la producción de papel periódico. Una planta con una capacidad de producción de 100 000 t de papel periódico costaría alrededor de 100 000 000 a 130 000 000 de pesos. Los índices de consumo fundamentales por tonelada serían los que aparecen en la tabla 12. Los costos de producción de papel periódico estarían alrededor de los US $480/t valorando el bagazo corno sustituto por petróleo y éste a US $170/t. Los factores que más inciden en el costo son la materia prima, la electricidad, la pulpa kraft, el combustible y la depreciación.

Agua

6.1 .2 Indicadores económicos de los papeles de imprenta y escribir

t kW " h

5,6

t

0,17

t

250

ma

0,55 t 440,5

kW . h

El costo de producción estaría alrededor de los US $740/t, los factores que más inciden son el bagazo sustituido por petróleo, la pulpa importada, el combustible y la depreciación .

6.1 .3 Pulpa para disolver y derivados La producción de pulpa para disolver, a partir de maderas coníferas y maderas duras, como, por ejemplo, la haya, ha sido establecida industrialmente en países como Estados Unidos, Polonia, Japón, Italia y otros. La utilización del bagazo como materia prima para esta producción sólo se conoce que se realice en la República Popular China, pero a una escala que se puede considerar como semindustrial, pues las capacidades son entre 3 - 10 t/d. En Cuba, se producirá a escala semindustrial pulpa para disolver en las instalaciones especializadas del Proyecto Cuba-9 . En la figura 16 aparecen los productos de segunda generación que pueden ser obtenidos a partir de la pulpa para disolver. La eficiencia económica de la obtención de pulpa para disolver o celulosa a partir del bagazo no se debe mirar aisladamente, sino asociada a la producción de derivados, que resolverían problemas de importaciones y se pudieran convertir en fondos exportables . Entre las mayores posibilidades de utilización de pulpa para disolver están la producción de fibrana e hilaza textil de buena calidad, el celofan, la carboximetil y el acetato de celulosa. En la figura 17 aparece la evolución de los precios de algunos derivados de celulosa .

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

31

Fig. 16 Pulpa para disolver y derivados . Los principales insumos por toneladas de pulpa para disolver son los que aparecen en la tabla 14 . El valor de la inversión de una planta con una capacidad de 4,0000 t/a está entre los US $70 000 000 y $90 000 000 . En la pulpa para disolver, el factor que más incide en el costo es la

materia prima (bagazo) ; cuando éste se utiliza sustituido representa entre 40 y 50 % del costo total . El costo de producción de la pulpa para disolver está cerca de los US $800/t. Este puede ser disminuido, considerablemente, según cómo se considere el bagazo.

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ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

Para producir furfural no es necesario desmedular, y el residuo lignocelulósico que se obtiene puede ser utilizado como combustible en el propio proceso . El furfural se utiliza como materia prima para la producción de alcohol furfurílico, alcohol tetrahidrofurfurílico, tetrahidrofurano y otros derivados . Se emplea como solvente selectivo en la producción -de grasas y aceites lubricantes . También se utiliza para la producción de masillas anticorrosivas, hormigones plásticos, herbicidas, insecticidas, funguicidas y fármacos, nailon 66, etcétera . En las figuras 19 y 20 aparece la evolución de los precios del furfural y de algunos derivados . Como se puede apreciar a través de los mismos, la evolución de estos precios ha sido alcista, sobre todo en los últimos años . La' producción mundial estimada de furfural es de alrededor de unas 200 000 t. Estados Unidos produce cerca de 50 %. En la tabla 15 aparecen las fábricas que producen furfural en el mundo, a partir del bagazo de acuerdo con los datos reportados por la literatura mundial . No obstante la experiencia que existe en la producción industrial de furfural, se presentan dificultades en todos los procesos tecnológicos

TABLA 14 Principales insumos por tonelada de pulpa para disolver

13,3

Bagazo integral (50 %)

300

Agua Eléctricidad

1 000

m3 kW . lr

0,833 r

Combustible

33

6.2 INDUSTRIA HIDROLITICA Entre los productos que se pueden obtener del bagazo, vía hidrólisis, se encuentra el furfural y la miel hidrolítica . En la figura 18 se presentan los productos que se pueden obtener por la hidrólisis del bagazo. 6.2.1 Furfural y derivados El furfural es un producto de amplia utilización en el mundo con la característica de producirse sólo por vía de hidrólisis de residuos y productos forestales y en particular el bagazo.

RESINAS DE FUNDICION ALCOHOL FURFURILICO BAGAZO

RESINAS FURFURITAS

FURFURAL

ALCOHOL TETRAHIDROFURFURILICO

RESINAS FURALITAS

ACIDO ACETICO

PLAGUICIDAS

METANOL

FURADAN PIRAMINA

CELOLIGNINA

EUDATHOL NC 8438

FARMACOS FURAZOLIDONA NITROFURANTOINA FURADONIN

FURANO

TETRAHIDROFURANO

CARBON ACTIVADO

MIEL HIDROLITICA LIGNINA

E

LEVADURA ETANOL LIGNOSULFONATOS NITROLIGNINA AONP COLACTIVITA

Fig. 18 Derivados de la hidrólisis del bagazo.

ETILENO

DERIVADOS DEL ETILENO

W F

O IZ Q

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TETRAHIDRO FURANO ALCOHOL TETRAHIDRO FURFURILICO e ALCOHOL FURFURILICO

FUENTE : -CHEMICAL MARKETING REPORTER 67

69

70

71

72

73

74

75

76

Fig. 20 Precios de algunos derivados del furfural.

77

76

79 60 AÑOS

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

16

TABLA 15 Plantas de furfural de bagazo en el mundo , Cantidad (t/a)

País

Puesta en marcha

Estadus Unidos

22 000 i

1966

Rep. Dominicana

20 000 k

1956

Sur Africa

8 000

1979

Filipinas

5 000

1975

Tau3zania

6 000

1974

Puerto Rico

10 000

1978

Estados Unidos (Texas)

20000

1976

(sin confirmar)

Boli% is

6 000

1976 (sin confirmar)

Argentina

5 000

India

6 000

(posiblemente 1974 utiliza otra materia prima)

Brasil

2000

1974

(no se conoce)

Taiwan

i Fuente : Informe interno del ICIDCA, 1979 . (  Análisis de las plantas de furfural . . . . .)

PROMT 1970-1981

Algunas fuentus inlorman 33000 t1a . k

Hay

datos

de

que amplia su

capacidad a 32 000 t/a .

que lo producen, a partir de bagazo por el método- continuo, lo que evidencia que las fábricas instiladas, producen, en general, por debajo de las capacidades proyectadas. La planta de República Dominicana que utiliza el proceso discontinuo con ácido, ha podido superar las dificultades tecnológicas . 6.2 .2 Indicadores técnico-económicos Una planta para producir 5 000 t /a de furfural cuesta, aproximadamente, US $15000000. Los principales índices de consumo aparecen en la tabla 16 . TABLA 16 Principales índices de consumo para la producción de furfural

Bagazo (50 %) Electricidad Agua

27 1362 200

t kW .h m3

El factor que más incide en el costo de producción del furfural es el bagazo y el costo de producción estaría determinado, básicamente, por el precio que se le dé a esa materia prima. En condiciones desfavorables el costo está alrededor de los US $1000 la tonelada . 6.2 .3 Miel hidrolítica Mediante la hidrólisis ácida de residuos vegetales se obtiene una solución diluida de azúcares que se ha denominado miel hidrolítica. Insta es una mezcla de monosacáridos, cuya composición y concentración dependen de las condiciones industriales de operación, principalmente, xilosa y glucosa, en una concentración de 2,5 % . La miel hidrolítica se puede utilizar como materia prima para procesos fermentativos como son la producción de levadura forrajera y de etanol o directamente suministrada en la alimentación del ganado . La producción de miel hidrolítica a partir de otros residuos se encuentra desarrollada en la URSS y Bulgaria, donde producen etanol y levadura para consumo interno.

ECONOMÍA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

6.2.4 Indicadores técnico-económicos Una planta de miel hidrolítica con una capacidad de 46 000 t/a cuesta, aproximadamente, entre US $7 000 000 y $10 000 000 (Tab. 17) . TABLA 17 Principales índices tecnológicos para la producción de miel hidrolítica Bagazo

2,61

t

Ácido sulfúrico

0,16

t

126

Electricidad Agua

26

Combustible

0,22

kW . h mg t

La conveniencia de la producción de las mieles hidrolíticas, depende de las disponibilidades y precios del bagazo y el combustible, y de la utilización de las mieles finales . Países donde hay disponibles desechos agrícolas y escasez de carbohidratos han acometido estas producciones. En dependencia de los precios que se consideren para el bagazo u otros residuos que se

utilicen, el costo de 1 t de miel hidrolítica equivalente a miel estaría entre US $80 - 100. 6.3 DERIVADOS AGLOMERADOS DEL BAGAZO

El desarrollo de la producción de tableros a partir del bagazo comenzó a tomar auge en la década de los años 1950-1960. Un desarrollo acelerado se ha venido observando en el último quinquenio . A partir del bagazo se pueden obtener tableros de partículas, tableros de fibras, tableros de bagazo cemento y productos moldeados ; cada uno de ellos tiene sus características particulares . En la figura 21 se muestran, gráficamente, estas posibilidades . En la tabla 18 aparecen las fábricas de tableros de bagazo instaladas en el mundo, después del papel ésta es la industria a partir del bagazo que más desarrollo ha alcanzado . En la tabla 19 aparece el per cápita de consumo de tableros de fibras y de partículas en el mundo. Como se puede observar a través del mismo muchos de los países productores de azúcar de caña en el mundo tienen bajo per cápita. 6.3.1 Tableros de partículas Este tipo de tableros se usa, fundamentalmente, en la fabricación de muebles y en la cons-

TABLEROS DE PARTICULAS

TABLEROS DE FIBRAS

BAGAZO

PRODUCTOS MOLDEADOS

I

37

d

TABLEROS DE BAGAZO CEMENTO

Fig. 21 Derivados aglomerados del bagazo.

TABLA 18 Plantas de tableros de bagazo' Capacidad (t/a)

País

Empresa

Localidad

Producto

África del Sur

Halsakane

Zululand

Tableros de partículas

36000

África del Sur

Afcol 4

Johannesburg

Tableros de partículas

30000

Argentina

Cía. Azucarera Tucumán

Tucumán

Tableros de partículas

39000

Costa Rica

Toglosa

-

Tableros de partículas

24000

Costa Rica

Miguel Ortuno

-

Tableros de partículas

-

Cuba

Maderas Técnicas

La Salud, Habana

Tableros de partículas

12000

Cuba

Procuba

Cruces, Cienfuegos

Tableros de partículas

21000

Cuba

Camilo Cienfuegos

Habana

Tableros de partículas

36000

Cuba

1° Enero (en construcción)

Ciego de Ávila

Tableros de partículas

36000

Cuba

Jesús Menéndez (en construcción)

Las Tunas

Tableros de partículas

64000

Cuba

Primadera

Las Tunas

Tableros de fibras

15000

Cuba

Henetec

Cárdenas, Matanzas

Tableros de fibras

3000

Mauricio

Universal Board

Tableros de partículas

3000

México

Central Querera

Estado Colina

Tableros de fibras

-

Pakistán

Crescent Sugar Mill

Lyallpur

Tableros de partículas

12000

Pakistán

Crescent Sugar Mill

Lyallpur

Tableros de fibras

-

Perú

Tableros Peruanos

Laredo

Tableros de partículas

21000

Puerto Rico

Central Igualdad

Tableros de partículas

36000

Reunión

Sucreries de Bombon

Tableros de partículas

12000

Taiwan

Taiwan Sugar Corp . Koohsiung

Tableros de partículas

16000

Taiwan

Taiwan Sugar Corp. Changhwa

Tableros de fibras

15000

Taiwan

Fab. Mar del Sur

Kwangtung

Tableros de fibras

-

Venezuela

Tablopán S.A.

San Mateo, Aragua

Tableros de partículas

24000

Venezuela

Tablopán S.A .

San Mateo, Aragua

Tableros de fibras

24000

Estados Unidos

National Bagasse Production

Vacherie, Louisiana

Tableros de partículas

30000

Estados Unidos

Celotex Corp .

Marrero, Louisiana

Tableros de fibras

60000

Estados Unidos

Lanse Michigan

Michigan

Tableros de fibras

-

Egipto

Komombo

Tableros de partículas

24000

-

La Mare

-

TABLA 18(Cont)

1

Capacidad (t/a)

Producto

País

Empresa

Localidad

Filipinas

Rep, Wall Board Corp .

-

Tableros de fibras

Filipinas

Supertex Wall Board

--

Tableros de fibras

Filipinas

Phil Tex Board Factory

-

Tableros de fibras

Filipinas

Central López S.

-

Tableros de fibras

--

India

Gologabarnath

-

Tableros de partículas

12000

India

Ariel Hardboard Ltd.

Bombay

Tableros de

--

Japón

Okinawa

Okinawa

Tableros de partículas

18000

Jamaica

Stand Building Products

Spanish Town

Tableros de partículas

36000

Trinidad

Trinidad Bagasse Corp .

Trinidad

Tableros de partículas

15000

El Salvador

Producción Agroindustriales S.A. de C.V.

Tableros de partículas

15000

-

fibras

Fuente: "Estudio para la optimización energética de la industria azucarera y su diversificación." pública Dominicana, ICIDCA, 1979.

TABLA 19 (Cont

TABLA 19 Consumo por cada 1000 habitantes de tableros de fibra y partículas en 1979 (países seleccionados) , n Países

Consejo Estatal del Azúcar, Re-

Países

ms/1000 hab.

Finlandia

127,0

Suecia

120,6

R.FA.

119,0

Canadá

78,0

Estados Unidos

58,4

Australia

44,9

Checoslovaquia

43,0

Polonia

40,0

Francia

36,4

URSS

26,0

Costa Rica

17,1

nt

m8/1000 hab.

Japón

13,7

Sur Africa

11,6

Argentina

11,4

Brasil

8,6

México

6,5_

Cuba

6,2

Irán

3,5

Venezuela

2,6

Iraq

1,6

Colombia

1,3

Egipto

0,8

India

0;08

Fuente: World Wood Review, 1981 .

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

trucción. Una planta con una capacidad anual de 55 000 m3 tiene un valor de, aproximadamente, US $15 000 000 . El costo de producción de 1 m3 de tableros estaría alrededor de los US $180 - 190. Uno de los factores que más incide en el costo de los tableros es el recubrimiento (Tabla 20) . TABLA 20 indices tecnológicos por metro cúbico de tableros recubiertos Bagazo

1,95

t

Formol

0,08

t

Urea

0,038 t 244

Electricidad

kW . h

0,144 t

Combustible Papel melaminado

80

no

Aunque el tablero no tiene una gran comercialización a causa de que los países que lo producen lo consumen internamente, se reportan precios en el mercado de tableros recubiertos de US $288/m3 . La mayor rentabilidad que puede ser obtenida a partir de los tableros ; es mediante la elaboración de su producto final, o sea, la construcción de muebles . 6.3.2 Tableros de fibras Sus usos principales son : en la fabricación de muebles, como fondo de gavetas y escaparates o estantes ; en gabinetes de cocina ; en la industria .automotriz y ferroviaria como recubrimiento interior, etc . 6.3.3 Elementos moldeados La fabricación de elementos moldeados a partir de partículas o fibras de madera ha tenido desarrollo en Alemania, Checoslovaquia, Estados Unidos y otros países. En la isla de Guadalupe, en el Caribe, funcionó una planta de tejas acanaladas que cerró por falta de mercado, trabajó con bagazo y no se reportó ninguna dificultad tecnológica . Por la tecnología de elementos moldeados se pueden obtener cajas para envases de frutas frescas y paletas para la estiba de mercancías, gabinetes de radio, y televisores, bandejas y otros . 6.4 CARBÓN ACTIVADO El carbón activado es un material con alto poder absorbente, producto de la carbonización y

activación de diversos materiales. Aunque la literatura no reporta la existencia, en el mundo, de plantas de carbón activado a partir de bagazo, con la excepción de una planta que operó en México por un tiempo, es posible decir que la misma es técnicamente posible. Se utiliza como decolorante en 'la refinación de azúcar, y en la industria alimentaria. Tiene amplia utilización en la descontaminación ambiental . Existe poca información sobre el carbón activado, aunque se conoce que los principales productores son Estados Unidos, Japón, Holanda y Bélgica . Lds tamaños de fábricas están entre 3000 y 6 000 t/a se reportó que en Estados Unidos empezó a producir una fábrica de 11 000 t/a y en Bélgica se construye una de 10 000 t/a . Existen 2 tecnologías de producción de carbón activado: por activación química y por activación física . La gran mayoría de los productores utilizan el método de activación física, que aunque tiene mayor consumo de la materia prima fundamental, es un proceso autoenergético y, prácticamente, no usa productos químicos, lo que hace que tenga costos de producción más bajos. El carbón activado está en déficit en el mercado mundial, su utilización ha aumentado en los últimos tiempos para resolver problemas de contaminación ambiental . TABLA 21 Insumos por toneladas de carbón activado Bagazo

17

Acido clorhídrico Electricidad Combustible Agua

0,1 480 0,06 66

t t kW . h t me

6.4.1 Indicadores técnico-económicos Una planta para producir carbón activado cuesta alrededor de US $10000000 . Los costos de producción están alrededor de los US $700/t y el índice que mayor incidencia tiene en el costo es el bagazo. Los precios del carbón activado han subido, paulatinamente, a partir de 1975, reportándose algunos hasta de US $900/t. 7 Utilización del meollo La necesidad de separar la parte que es necesario desechar en el bagazo que se emplea para la producción de pulpa, papel y tableros, ha

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR dado origen a la operación de desmeollamiento, cuyo nombre se deriva de la fracción no deseada . Este efluente de la industrialización del bagazo no ha sido suficientemente estudiado, considerándose, por lo general, como un desecho, y su eliminación ha ocasionado problemas en muchas fábricas. El grado de separación del meollo y la fibra, el lugar y el método empleado, determinan la economía de la operación de su conjunto, así como la cuantía y características del efluente . La composición química del meollo difiere poco de

la fracción fibrosa, o a la del bagazo integral, no obstante, se puede apreciar que la cantidad de cenizas es superior que la de la fibra o la del bagazo integral. A causa de que el meollo tiene un valor calórico similar al del bagazo y por ser un producto celulósico, se puede emplear para generar vapor, electricidad, para alimentación animal y como materia prima en la producción de papel y miel hidrolítica, como acondicionador de suelos y portador de pesticidas y herbicidas. En la figura 22 se exponen los distintos usos que pudiera tener el meollo.

MIEL - UREA BAGACILLO

BAGACILLO

PRE- DIGERIDO

BAGACILLO TRATADO CON ENZIMAS

COMBUSTIBLE

C

41

FURFURAL

MIEL

HI DROLITICA

ACONDICIONADOR DE SUELOS

PORTADOR DE PLAGUICIDAS

Fig . 22 Productos a partir del meollo.

DERIVADOS DEL FURFURAL

42

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZVCAR

El meollo se ha utilizado tradicionalmente mezclado con miel para la alimentación animal en diversas formas . En México se seca y comprime en paletas que se almacenan durante la zafra, posteriormente se desintegra y mezcla con las mieles . Mundialmente, se han hecho esfuerzos para su utilización como combustible, y ya hay varios países como México, Taiwan, Hawaü y Perú que lo queman, eficientemente, en calderas diseñadas a ese fin específico, inyectándole de 10 - 15 % de petróleo para mantener la estabilidad. La literatura reporta que en Egipto y Argentina el meollo obtenido del desmeollamiento en suspensión, después de presecado hasta alrededor de 35 % de materia seca, se esparce en el campo como acondicionador de suelos . Aunque el meollo se puede utilizar para la producción de furfural y mieles hidrolíticas, esta línea requiere aún algunos esfuerzos investigativos . 7.1 BAGACILLO PREDIGERIDO (MEOLLO PREDIGERIDO) El bagacillo predigerido se obtiene, tratando el meollo con hidróxido de sodio y temperaturas moderadas, con vistas a aumentarle la digestibilidad y después se le añade miel final y urea. El meollo constituye 76 % del total y la miel 13 % ; la urea y el hidróxido de sodio están en pequeñas proporciones . El bagacillo predigerido sustituye a la miel urea bagacillo y presenta, además de un mayor valor alimenticio, un ahorro considerable de miel. Una tonelada de miel urea bagacillo, consume 360 kg de miel, sin embargo, 1 t de bagacillo predigerido consume 115 kg, lo cual representa un ahorro de 245 kg de miel por cada tonelada . Comercialmente 1 t de bagacillo predigerido sustituye a 1 t de miel urea bagacillo . El bagacillo predigerido presenta algunas dificultades en su transportación, por su baja densidad de bulto; no obstante, su compactación en forma de paletas reduciría, considerablemente su volumen . El producto se usa en rumiantes que son los únicos animales que tienen la capacidad de convertir la celulosa en elementos energéticos, preferiblemente para la producción de leche. Una planta para producir 200 t/d de bagacillo predigerido cuesta alrededor de US $150 000. El costo de 1 t de bagacillo predigerido estará alrededor de los US $50, si se valora el meollo como sustituto de combustible . 8 Utilización de las mieles La miel de caña es un líquido denso y viscoso que se separa de la masa cocida final cuando no es posible cristalizar más azúcar. La miel

final contiene, aproximadamente, entre 50 - 58 de azúcares totales y una energía metabolizable que oscila alrededor de las 2 200 kcal/kg . Los principales países consumidores de mieles son la Comunidad Económica Europea, Estados Unidos y Japón; estos 3 mercados consumen, aproximadamente, 80 % del suministro mundial de mieles . Los usos fundamentales de las mieles han sido, hasta el presente, en orden de importancia por los volúmenes consumidos : alimentación animal, producción de alcohol etílico y producción de levadura. También se han utilizado como materia prima para la obtención de ácido cítrico, glutamato monosódico, lisina y otros, pero los volúmenes de miel en estas producciones son insignificantes, comparados a los principales usos . En los próximos años, se espera que se incremente el consumo de miel y se pronostica, también, aumentos significativos para usarla como alimento animal, pero solamente hasta un punto donde los precios no induzcan el uso de otras alternativas; tales como granos y cereales forrajeros. El alto precio de las mieles, en los últimos años, se debe a diferentes factores, pero el que más influye es la actual tendencia de los países productores a incrementar sus consumos internos para usar como alimento animal, a expensas de disminuir volúmenes de exportación . En la figura 23 aparecen los precios históricos de las mieles desde 1959 hasta 1981 . Los precios de las mieles han ido aumentando, sistemáticamente, en los últimos años, a pesar de las fluctuaciones ; sin embargo, a mediados de 1981 comenzaron a bajar de nuevo, esto último ha estado influido por las más altas cosechas de maíz en Estados Unidos . En la figura 24 se muestran los productos que se pueden obtener a partir de las mieles por vía fermentativa. La característica fundamental de estas producciones es que se obtienen como derivados primarios, o sea, son productos de primera generación. De los productos obtenibles a partir de la miel, los que más posibilidades tienen de desarrollo son la lisina, las levaduras y el ácido cítrico . 8.1 ALCOHOL ETILICO La industria alcoholera, es una de las industrias más antiguas en el aprovechamiento de los subproductos de la caña. Tradicionalmente, el alcohol se ha utilizado en bebidas, industria farmacéutica, química y alimenticia . Actualmente, se está desarrollando su producción en algunos países, sobre todo en Brasil, para emplearlo como combustible para sustituir a la gasolina. El uso del alcohol como combustible no necesita mucha investigación y su empleo para esos

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BUTANOL Y ACETONA ACIDO GLUTAMICO

GLUTAMATO MONOSODICO

LISINA METIONINA

J

ANTIBIOTICOS

1

ACIDO LACTICO

1

ACIDO ACETICO VITAMINAS y ALCOHOL LEV .SACCHAROMYCES

. ti

FUSEL OIL VINAZA

LEVADURA TORULA

COs ACIDO CITRICO

MIEL PROTEICA MIEL UREA BAGACILLO

!

ENZIMAS GOMAS MICROBIANAS LEVADURA TORULA

i i

LEVADURA RHODOTORULA LEVADURA PANADERA MIEL UREA LEVADURA PARA CONSUMO HUMANO ACIDOS NUCLEICOS MIEL SECA

i

1

c

w

11

á v N

45

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

fines corresponde a decisiones estratégicas o económicas de los países, respecto a la disponibilidad que tengan para adquirir combustible o no, y del análisis que se haga de utilizar tierras disponibles para producir productos alimenticios o energéticos . El alcohol, además de las usos mencionados, puede ser utilizado para el desarrollo de una industria alcoquímica, mediante la producción nacional de etileno. Como consecuencia de la producción de alcohol, ya sea a partir de la caña o a través de las mieles, se originan efluentes que deben ser eliminados, utilizándolos como fertilizantes, alimento animal, produciendo levaduras, biogás, o evaporándolos e incinerándolos .

TABLA 22 Insumos principales de 1 t de alcohol

Insumo Miel 52 % azúcares totales Agua

4,0

t

m8

61,4

332

Electricidad Petróleo

kW . h

0,565 t

Si se valoran las mieles a US $100/t y el petroleo a US $710/t, el costo de producción del alcohol está cerca de los US $600/t. La producción de alcohol a partir de la caña, tiene la ventaja de utilizar el bagazo como combustible y disminuir el consumo de Agua a 27 m3/t. Para 1 t de alcohol es necesario 17 t de caña . Si se valora la caña a US $18/t, el costo de producción de alcohol estará alrededor de los US $380/t, la caña es el factor que más incide en el costo. Al obtener alcohol a partir de la caña se puede producir electricidad adicional, haciéndose más rentable la producción . En la figura 25 se

8.1 .1 Indicadores técnico-económicos

Plantas para producir entre 25 000 a 50 000 t de alcohol/a (aproximadamente 1000 - 2 000 hl/a) tienen un valor de inversión de US $ 460/t. Si se fuera a producciones combinadas de alcohol-levadura la inversión subiría . En una destilería que produce 1200 hl/d de alcohol, es posible obtener 35 t de levadura . Al analizar el costo de producción de alcohol a partir de mieles, se observa que el factor que más incide es la miel, seguidamente el combustible y la depreciación . Los insumos principales de 1 t de alcohol se muestran en la tabla 22.

us

índice de consumo

$/r

600

500-

400,

300-

200-

100

FUENTE ; CHEMICAL MARKETING REPORTER 60

61

62

63

64

85

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

AÑOS

Fig. 25 Precios del alcohol etílico

TABLA 23 Algunos países productores de etanol a partir de miel y/o caña de azúcares Países

,Producción

(hl/a)

Año

África del Sur

94 400

1979

Australia

95 380

1978

37000000

1980

Brasil Cuba

900000 .

-

Filipinas

48000

1980

Guatemala

30000

1979

Jamaica

31400

1978

México

510000

1976

Perú

20000

1977

República Dominicana

18 500

1979

Proyectos de nuevas plantas de etanol reportados por la literatura Países

Capacidad

(hl/a)

Estado de la planta

Africa del Sur

97000

Proyecto

Australia

25000

Australia

35000

-

Costa Rica

360000

1980

Filipinas

150000

Proyecto

Filipinas

90000

Proyecto

Filipinas

180000

Proyecto

Filipinas

270000

Proyecto

Hawaii

760000

Proyecto

Indonesia

30000

Proyecto

Kenya

200000

Proyecto

Malawi

50000

1981

Malawi

50000

Proyecto

Malawi

50000

1984

Mauricio

30000

1979

Nigeria

19000

Proyecto

Paraguay

160000

Proyecto

Paraguay

180000

1980

47

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR TABLA 23(Cont.)

Países

Capacidad (hl/a)

Portugal Puerto Rico Sudán

150000

1982

38000

Proyecto

180000

1985

Zambia

15000

Proyecto

Zambia

150000

Proyecto

Zimbabwe a

Estado de la planta

1981

Fuente: International Sugar Journal, 1975-1980, PROMT, 1975-1981 . F. O. Iachts International Molasses Report, 1975-1980.

muestra la evolución de los precios del alcohol, estos precios estuvieron estáticos y comenzaron a subir a partir de la crisis del petróleo. En la tabla 23 se reportan las producciones de alcohol en el mundo, ya sea a partir de la caña directamente o a partir de mieles. 8.2 LEVADURA TORULA Este producto es una fuente de proteínas y vitaminas y se utiliza en la formulación de piensos mezclados, destinados a la alimentación animal. La levadura tortula reviste gran importancia en los países subdesarrollados que cuentan con mieles de caña, a causa de la escasez de proteínas que se confronta a nivel mundial. La levadura torula no se comercializa y los países productores la utilizan para el consumo interno. La producción de levadura no tiene grandes dificultades tecnológicas, los equipos son tradicionales de la industria fermentativa, y se componen, básicamente, de fermentadores, agitadores, bombas y tanquerías . Los efluentes pueden ser tratados por métodos convencionales . 8.2.1 Indicadores técnico-económicos El valor de la inversión, en dólares, de una planta de 12 000 t de torula al año está alrededor de los US $15 000 0000. Los indicadores tecnológicos fundamentales por toneladas son los que se muestran en .la tabla 24 . Si las mieles se valoran a US $100/t y el combustible a US $170/t, solamenté por estos 2 conceptos el costo sería de aproximadamente US $540/t, estos 2 factores representan 65 % del costo total. La producción de levadura, debe ser considerada como estratégica en los países que vayan a su desarrollo .

TABLA 24 Insumos por tonelada de levadura torula

t

Miel fina

4,3

Antiespumante

0,008 t

Agua Combustible Electricidad

100

ms

0,628 t 1237

kW . h

8.3 L-LISINA La L-lisina es un aminoácido esencial utilizado, principalmente, en la alimentación animal . Su uso como aditivo en alimentación con productos de origen vegetal, cuya eficiencia en el uso de las proteínas es bajo, podrá ser, sin duda, una de las mejores vías para solucionar económicamente los problemas de desnutrición . Existen varios países que producen L-lisina, pero muy pocos exportan este aminoácido, pues la mayor parte de los países productores la utilizan para consumo interno. Japón abarca 90 de la producción y 95 % de la exportación mundial. Francia se encuentra entre los grandes, productores, recientemente comenzó a producir una planta en México a partir de mieles de caña. En la tabla 25 se reportan las plantas que, según se ha confirmado, producen L-lisina a partir de las mieles de caña. La producción de L-lisina requiere una tecnología especializada . Tiene un alto consumo de electricidad, de mieles y de combustible . Una planta con una capacidad de 5 000 t/a tiene un valor de aproximadamente US $40 000 000. El costo de producción está cerca de los US $5 000/t.

LA INDUSTRIA-DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR

48 miles (Is U.S. $/t

e

4

00

1971

1972

1973

1974

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1981

años

Fuentes Chemical Marketing Reporter

Fig. 26 Evolución del preclo de la lisina .

TABLA 25

8.4 ACIDO CITRICO

Plantas Irlisina a partir de mieles de caña País México

Capacidad (t/a) 3000

u

Puesta en marcha -

Japón

10000

Japón

14000

Japón

8000

1975

España

1500

Sin confirmar

if

Producción

Fuente: Departamento de Información, Subdirección de Econornfa, ICIDCA. PROMT, 1970 .1981.

Se reportan precios discrepantes, en algunos mercados está cerca de los US $43001t. La Chemical Marketing Reporter ofrece datos de US $15 675/t (precio promedio) . En la figura 26 se ofrece la evolución del precio de la L-lisina en el mercado norteamericano.

Se utiliza en productos alimenticios, en bebidas como acidulante, para realzar el sabor y como agente de conservación . Tradicionalmente, este producto se obtiene por fermentación de carbohidratos, básicamente mieles finales de caña y de remolacha . Existen 2 métodos para su producción, el superficial, prácticamente obsoleto y el sumergido o profundo, adoptado por las fábricas construidas últimamente . Se obtiene en forma hidratada y anhidro, en ambos casos tiene la consistencia de un polvo blanco cristalino . Se prefiere la forma anhidra para su comercialización . Se produce en Estados Unidos, Austria, Bélgica, Irlanda ; Francia, Italia, Países Bajos, Reino Unido, República Federal Alemana, Checoslovaquia, Polonia y la URSS . La literatura especializada no reporta, éspecíficamente, a excepción de la India, la producción de ácido cítrico a partir de mieles de caña, aunque es posible que se produzca en algunos países (Tab. 26) . La tecnología para la producción de este producto tiene algunas complejidades, los consumos de miel no son altos, la electricidad y el combustible sí lo son.

49

ECONOMÍA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR TABLA 26 Plantas de ácido cítrico con mieles de caña (nuevas instalaciones)° País

Capacidad (t/a)

Puesta en marcha

Kenya

30 000

Construcción

India

3 000

Construcción

Pakistán

3 000

Construcción

0

Fuente: Departamento de Información, Subdirección de Economía, ICIDCA . PROMT, 1970-1981.

En la figura 27 se muestra la evolución de los precios del ácido cítrico en el mercado mundial . Al igual que de muchos productos, el incremento de precios comienza a partir de 1973 . 8.5 OTROS DERIVADOS 8.5.1 Glutamato monosódico Es uno de los saborizantes más conocidos en la industria alimenticia y se presenta en forma de polvo blanco cristalino, su principal productor es Japón, con unas 100 000 t/a, también se

produce en EE. UU., Francia, Italia, Taiwan, Corea, Tailandia y la CEE . La demanda mundial, en 1978, estuvo alrededor de 282 000 t y se calcula que la capacidad instalada es del orden de las 340 000 t. En la tabla 27 aparecen las plantas que se estima producen glutamato monosódico a partir de mieles de caña, de acuerdo con los datos que ofrece la literatura especializada . El tamaño mínimo para producir, competitivamente, el glutamato monosódico es de 5 000 t/a. En la figura 28 se muestra la evolución de los precios del glutamato monosódico en el mercado, el cual ha ascendido rápidamente en los últimos años. 8.5.2 Dextranas técnica y clínica La dextrana es un polímero de glucosa de elevado peso molecular que se obtiene mediante la fermentación de sacarosa, guarapo o mieles. La dextrana técnica posee propiedades similares a la de los derivados de la celulosa como la carboximetilcelulosa, los productos de almidón y otros. En Cuba existe una planta de dextrana técnica de 450 t de capacidad . La dextrana clínica se produce en Suecia, Inglaterra, Estados Unidos, República Federal Alemana, Francia, Dinamarca, URSS, Polonia, Checoslovaquia, Bélgica y República Democrática Alemana . La tecnología es ampliamente conocida, no se comercializa y se utiliza para autocon-

e AC .CITRICO HIDRATADO o AC . CITRICO ANHIDRO

FUENTE%OIL,PAINT & DRUG REPORTER (CHEMICAL MARKETING REPORTER)

1988

1989

1970

1971

1972

1973

1974

1975

Fig. 27 Precios del ácido cítrico.

1978

1977

1978

1979

1980 AÑOS

TABLA 27 Plantas de glutamato monosódico

Q

País

Firma comercial

Brasil

Ajimoto Company of Japan

Perú

Ajimoto Company of Japan

3600

México

Ajimoto Company of Japan

6000

Indonesia

Ajimoto Indonesia-

3900

Capacidad 15 000

Japón

-

41400

Rep. Corea

-

16800

Malasia

Ajimoto Malasia S. A.

900

Filipinas

Filipinas Fermentación

3300

Rep. de China

(Taiwan)

13500

-

8 700

Tailandia p q

469

P,

Fuente : Subdirección de

Información

y Evaluación Económica . ICIDCA . PROMP, 1970.1981.

Aunque no se especifica la materia prima, se deduce que es miel de caña .

1970

1971

1972

1973

1974

1975

1976

Fig. 28 Precios del glutamato monosódico.

1977

1978

1979

1980 AÑOS

ECOAIOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZúCAR

sumo, su principal uso es como sustituto del plasma sanguíneo, por lo que su producción es considerada como estratégica. 9 Utilización de la cachaza La cachaza es el residuo que se produce como consecuencia de la filtración del jugo en la producción de azúcar . La cantidad de cachaza que se obtiene varía entre países, centrales, y aun en el mismo central, pues esta cantidad depende de múltiples factores como : sistemas de clarificación, tecnología de extracción del guarapo, variedad de la caña; mecanización y otros. Su humedad está entre 65 y 70 % . Si se considera la cachaza en términos de materia seca, su composición aproximada es la siguiente : 30 - 50'% de fibra (bagacillo) ; 10 - 15 % de tierra; 10 - 20 % de cera y grasas; 6 - 12 % de sustancias nitrogenadas; 6 - 16 de azúcar no recuperable ; 10 - 15 % de fosfato de cal . La cachaza no ha tenido utilización de gran valor y, por otro lado, es necesario su disposición como efluente en la industria . Se emplea en muchos países, regándola a los campos o canales de irrigación. En la figura 29 aparecen las posibilidades de uso de la cachaza . 9.1 CERA REFINADA DE CACHAZA

La caña de azúcar contiene entre 0,1 a 0,3 de cera, parte de la cual, durante el proceso de molienda, queda en el bagazo y alrededor

de 40 % pasa al jugo, de donde es separada en la etapa de clarificación y pasa a formar parte de la cachaza . Durante la Segunda Guerra Mundial se produjo cera refinada de caña en una planta de Australia, la capacidad era de 30 t/a, en 1960 cesó su producción. En la década del cincuenta se instalaron 2 plantas de extracción de cera cruda en Cuba, y, posteriormente, se instaló una tercera planta . La cera cruda se refinaba en Louisiana, EE. UU. Estas plantas dejaron de producir en 1960. En la actualidad, no hay producción industrial de cera de cachaza en el mundo, aunque hay muchos países interesados en instalar plantas . En la India y en Cuba se produce cera refinada en escala piloto . Existen diferentes tecnologías de extracción y refinación de cera entre las que se destaca el proceso líquido-líquido con heptano, en la etapa de extracción y en la refinación una mezcla de 80 % de alcohol y 20 % de heptano u otra gasolina de propiedades similares . En las tablas 28 y 29 se muestran los costos de producción de las ceras cruda y refinada. Para el cálculo de los costos se consideró una planta de cera cruda de 2 500 t/a de capacidad, con un valor de inversión de US $850 000 y para la cera refinada de 1000 t/a y un valor de la inversión de US $3 000 000 . Del análisis de los componentes del costo, se evidencia la alta dependencia que sobre el costo total tiene la cachaza que constituye 42 % de éste, de la cera cruda. En la cera cruda el solvente y el combustible que le siguen en impor-

CERA REFINADA ACEITE RESINA : Fig. 29 Productos a partir de la cachaza.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR

52 TABLA 28

TABLA 29

Costo de producción de cera cruda US $/t Concepto

indice de consumo

Cachaza

40

t

Heptano

55

Combustible

0,35

Costo de producción de cera refinada US $/t

Costo

Concepto

índice de consumo 2,5

Costo

200

Cera cruda

gal

60

Alcohol 9óo

42

gal

44

t

59

Heptano

11

gal

12

Eléctricidad'

225

kW. h

12

Combustible

Agua

600

mg

27

Electricidad

100 220

t

0,59

1172

t

100

kW. h

6

Salario (16 trab.)

-

20

Agua

Mantenimiento

-

28

Salario (31 trab.)

-

90

Otros gastos

-

35

Mantenimiento

-

120

Depreciación

-

34

Otros gastos

-

134

475

Depreciación

-

300

Total

-

1988

Total

tancia constituyen ambos, sumados, 25 Gro . En la producción de cera refinada el costo de la cera cruda es 59 % del total, la depreciación, que es el segundo componente de costo, sólo alcanza 15 % . En esta etapa el solvente apenas constituye 3 % . En la figura 30 se muestra la evolución de los precios de la cera carnauba, la que en una etapa subió su precio que ahora ha vuelto a descender . us

m3

10

10 Sucroquimica La sucroquímica es la transformación de la sacarosa por vía química, con el objeto de lograr nuevos productos de diversos usos y mayor valor. A partir de 1967 y hasta la fecha, se

;/t 5000-

4000

3000

2000

1000

FUENTE°CHEMICAL MARKETING REPORTER

1970

1971

1972

1973

1974

1975

1976

Fig. 30 Precios de la cera cárnauva.

1977

1978

1979

1980

AÑOS

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZüCAR

han instalado 4 plantas para la producción de ésteres en Japón, una en Estados Unidos, además de 2 plantas para producir detergeírtes, una en el Reino Unido y otra en Sudán. Los principales usos de los derivados de la sacarosa industrializados en el mundo son: detergentes biodegradables, fármacos, emulsificantes, recubridores, plastificantes, desnaturalizantes, agentes tensoactivos, agentes quelantes, dieeléctricos, agentes secantes. En la figura 31 se muestran algunos derivados de la sacarosa .

53

También se pueden señalar como producciones que han tenido algún desarrollo, el manitol utilizado en la industria alimenticia, la glucosa, la fructosa y el sorbitol. 10.1 SORBITOL

El sorbítol se emplea para la producción de pastas dentífricas y cosméticos y, además, para

Fig. 31 Algunos derivados de la sacarosa.

O O a

zuw

O OD

m i

W F Q O aW K

ro A

K O FZ

á O W FZ W

ro

55

ECONOMIA Y DESARROLLO PERSPECTIVO DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR la producción de ácido ascórbico (vitamina C),

como edulcorante en alimentos, bebidas y otros . Se calcula que la producción mundial está cerca de las 300 000 t, los mayores productores son: Estados Unidos, Japón, Canadá y Francia . A causa del incremento dado a las capacidades de producción en los últimos años, se supone que la demanda puede ser satisfecha con las plantas existentes en los países desarrollados, sin embargo, se pronostica un incremento en la demanda en los países en vías de desarrollo, principalmente para productos alimenticios, bebidas y productos farmacéuticos . En la tabla 30 se muestran las plantas que producen sorbitol en el mundo . En la figura 32 se muestran los precios del sorbitol . TABLA 30 Volumen de. producción de sorbitol en países seleccionados País

No. de plantas

Producción (t/a)

Australia

1

3000

Brasil

1

6000

Canadá

1

11000

Corea

1

6000

Ecuador

1

4000

Finlandia

1

4 500

Francia

1

99000

Holanda

1

10000

India

2

4000

Italia

2

12000

Japón

7

109000

RFA

3

75 000

USA

6

173000

r

Fuente : Subdirección de Información y Evaluación ICIDCA . PROMT, 19701981 .

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YAMADA, V. :

Capítulo II LA CAÑA DE AZÚCAR COMO FUENTE DE ENERGIA CARLOS M. DE ARMAS CASANOVA LEONEL GONZÁLEZ PENICHET

1 Introducción La industria azucarera aporta, a la industria en nuestro país, cerca de 25 % de la energía total consumida, ya que quema en sus calderas cerca de 97 % del bagazo producido . Actualmente, sólo utiliza un pequeño porcentaje de sus necesidades energéticas a partir de otros combustibles externos, leña, petróleo y energía eléctrica de la red nacional. Es un hecho conocido, sin embargo, que la tecnología de producción de azúcar, presenta grandes reservas de eficiencia energética, que de materializarse, pueden convertir a la industria no sólo en autoenergética completamente, sino también en suministradora de materias primas excedentes y energía eléctrica o térmica marginal en magnitudes significativas . Si estas potencialidades no se concretaban, era motivado por el bajo precio de los combustibles fósiles y la energía eléctrica y la falta de una industria consumidora de excedentes de bagazo que hacían cuestionable la economía de esfuerzos inversionistas en este sentido, por lo que el objeto en el diseño y operación de las fábricas de azúcar de caña era balancear energéticamente el ingenio para que no sobrara o faltara bagazo . El encarecimiento de la energía trae como consecuencia la necesidad de una revisión total de estos criterios y la consideración de otras reservas de la agroindustria de la caña, como es la producción de alcohol, la utilización de los residuos agrícolas y otras alternativas como la biometanación, la gasificación, etc ., que en su conjunto pueden duplicar el aporte energético actual a través de procesos técnicamente convencionales y de economía viable .

2 La caña de azúcar como fuente de biomasa 2.1 ENERGIA SOLAR, SU TRANSFORMACION EN BIOMASA La materia . orgánica vegetal, en su crecimiento, requiere de un componente grande de energía que recibe del sol y parte del cual queda en forma de energía de formación de las sustancias que conforman los tejidos, sustancias de reserva

y otros complementos de los vegetales . La eficiencia de conversión de la energía solar en biomasa no es igual en cada vegetal y aunque si bien es cierto, que una gran masa de materia orgánica vegetal se produce anualmente en la tierra por esta vía, esta eficiencia de conversión es relativamente pequeña . 2.1.1 Características y magnitud de la energía solar que recibimos La energía solar que se recibe en la tierra muestra un carácter difuso, discontinuo con el día y la noche y la variabilidad, en dependencia de la latitud, fecha y condiciones atmosféricas . El flujo de energía que llega a la superficie de la atmósfera es del orden de 1,39 x 10-3 MJ/m2s. De esta energía si no existiera la atmósfera, como valor promedio se recibiría, en la superficie de la tierra, alrededor de 0,35 x 10-3 MJ/m 2s, en realidad a causa de la presencia de la atmósfera este índice es del orden de 0,17 x 10-3 MJ/m 2s - unos 44,0 x 10-3 WIM2s. Resulta interesante ver cómo la cantidad de energía que requiere el hombre como promedio, es sólo una pequeña fracción de la energía solar que llega a la tierra. En un país con una densidad de población de 100 habitantes/km2 y con una demanda de energía per cápita de 3 000 kg de carbón equivalente al año, lo cual representa un buen estándar de vida, la energía solar que llega a la superficie terrestre es del orden de 5,26 x 107 MJ/a per cápita o 1 790 000 kg de carbón equivalente por año,, per -cápita, cantidad que resulta 600 veces mayor que la energía directa requerida . Desde luego, que en estos números no entran las cantidades de energía radiante que absorbe y reirradia la tierra y que garantiza nuestras condiciones climáticas .

o

2.1 .2 Transformación de la energía solar en biomasa Se llama biomasa a toda la materia orgánica que se forma en el proceso de desarrollo de plantas, animales y microorganismos, correspondiendo a la biomasa vegetal la materia viva que se clasifica como tal. Esta materia orgánica que se forma dentro del ciclo del C02 en la tierra, a través de la función clorofiliana, se ha

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCA11

58

estimado que es del orden, de los 117 000 000 000 t/a de materia seca; la - acumulación estimada es de 1 800 000 000 000 ::t de materia seca. Por supuesto que no todos 'los vegetales muestran igual índice de desarrollo, así, como promedio anual para los grandes grupos de biomasa vegetal ; en la tabla 31 se muestran las valores actuales . TABLA 31 Formación de biomasa vegetal en la tierra

Superficie (millones lan2)

Biomasa (millones de t de materia (t de seca) m . s/ha)

Bosques

57,0

79 900

14,0

Sabanas y pastizales

24,0

18 900

7,9

Tierras cultivadas

14,0

9100

6,5

otras: tundra, desiertos, ;iénagas

52,0

8 800

1,7

147,0

116 700

Total:

Aun dentro de estos grandes grupos hay diferencias importantes . La tabla 32 está formada con valores reportados por Hudson y por Ló pez y colaboradores, con índices de producción de materia seca por año para diferntes cosechas . TABLA 32 Materia seca producida por hectárea por año Cosecha

t de m . s/ha/a

Caña [planta completa (p.c .)]

30-82

Maíz (p .c.)

8,5

Trigo (p .c .)

3-19

Arroz (p .cJ

4-15

Remolacha azucarera (p.c .)

8-16

Hierbas; diferentes especies Y número de cortes por año

6-45

Yuca (cassaba)

8-32

Eucaliptos, ciclo de 7 a Pino

12

10-20

La caña, como se observa en la tabla 32, muestra los valores más altos de fijación de la energía solar, dentro de este conjunto de plantas que constituyen el grupo más eficiente en esta función; constituye una fuente importante de materia prima renovable, aunque desde puntos de vista ecológicos, en un hipotético estado de sustitución de bosques por caña de azúcar para la producción de biomasa, habría que ver qué resulta más beneficioso dentro del ciclo del COA y otros factores . 2.2 DEMANDA DE ENERGiA EN LA PRODUCCION DE CAÑA En un análisis de la contribución que puede hacer la caña de azúcar a la solución de los problemas energéticos, es necesario realizar un balance del sistema en su conjunto, pues no es posible la obtención de cosecha alguna sin la utilización de energía. 2.2 .1 Demanda de energía en las diferentes operaciones agrícolas La caña dé azúcar muestra diferentes ciclos en su crecimiento comercial, en dependencia de climas, suelos, sistemas de producción, etc . En este caso, seguimos el análisis realizado por López y colaboradores para un ciclo de 7 a con 5 cortes, con un rendimiento de 10 t de caña completa/ /ha/a, considerando que las diferentes operaciones agrícolas, incluyendo la cosecha, son mecanizadas . En la tabla 33 aparecen los índices principales . La energía que consume la caña expresada como petróleo combustible es del orden de 6 kg/t de caña o 0,263 MJ/kg de caña que representa, aproximadamente, 5 % del valor calórico de la materia seca en la caña. Estos índices cambiarán, por supuesto, en dependencia de las características particulares del área sembrada, suelo, clima, variedad, fertilizante, riego, nivel de mecanización y distancia del tiro . 2.2.2 Comparación con otros cultivos En el análisis realizado en el acápite 2.2 .1 se ha visto que la energía invertida en la producción de caña de azúcar es del orden de 5 % de la energía potencial de la caña. Resulta interesante ver qué ocurre con otros vegetales que, eventualmente, pueden competir con la caña, como son algunos árboles como el eucaliptus, el maíz y otros . Se ha calculado que el consumo de energía en bosques en un ciclo de rotación de 10 a, es del orden de 425 000 MJ/ha, con un rendimiento de 112 t de materia seca/ha, lo que equivale a 3,8 MJ/kg de materia seca, mientras que para la

59

LA CAÑA DE AZOCAR COMO FUENTE DE ENERGIA TABLA 33 Consumo dé energía de la producción de caña Base : 1000 ha con rendimiento de 100 t de caña Iha-a. cortando 71,4 sembrada, por año Combustible

(kg)

Operaciones agrícolas, preparación, -siembra y cultivo

(Mi)

0,002 X 107

40 000

0,178 X 101

160 000

0,705 X 107

Cosecha

50 000

0,220 x 107

Transportación a 10 km de distancia

175 000

0,770 X 107

4225 500

1,88 X 107

Fertilización, incluyendo producción del fertilizante

caña este índice era de 0,263 MJ/kg de caña o 0,88 MJ/kg de materia seca producida . La caña entrega materia seca con un equivalente energético 20 veces mayor que la energía empleada en su producción, mientras que la madera, de acuerdo con los índices reportados, se calcula que es del orden de 5 a 1 en igualdad de base que la caña. Este índice se reporta para el maíz entre 2,80 y 4,40 y para la remolacha y la avena valores menores que 1,0. Aunque no está claro, que estos últimos valores estén hallados exactamente con la misma base de cálculo, la diferencia con la caña es tan grande, que siempre sale con ventaja, en cualquier comparación con otros cultivos. 2.3 CARACTERISTICAS DE LAS DIFERENTES FORMAS DE BIOMASA

En la industrialización de la caña para la producción de azúcar y derivados aparecen diferentes formas de sustancias lignocelulósicas que pueden constituir fuentes de materia prima y/o energía. Dentro de este grupo aparecen como elementos principales los residuos agrícolas de la producción de la caña y el bagazo en la producción de azúcar, y la medula o meollo en el tratamiento del bagazo para la producción de papel y madera artificial . 2.3 .1 Residuos de la cosecha

Los residuos de la cosecha representan alrededor de 30 % de la biomasa que se produce en las plantaciones de caña, lo cual en términos nacio-

dei área

Energía

500

Riego: 225 mm al retoño y caña nueva

9io

nales o regionales, representa valores considerables, así, en Cuba, son del orden de los 20000 000 t, en Latinoamérica alcanza un valor del orden de 100000000 t. En la actualidad, los residuos de la cosecha cañera se dejan en el campo o se queman, en parte, en dependencia del sistema de recolección de la caña que se emplee . Las características económicas de la industria azucarera no han permitido otro aprovechamiento de los desechos que algún uso muy limitado como alimento para ganado y como combustible . En las tablas 34 y 35 se presentan características de los desechos asociados a su posible utilización como alimento animal o combustible . En la tabla 34 se muestra, de forma comparativa, la . composición del jugo de una muestra de caña y del cogollo correspondiente y en la tabla 35, se muestra la composición química de una muestra de paja molida en un molino de cuchilla. Un uso muy difundido de los residuos de la cosecha de la caña de azúcar, es el de alimento para ganado vacuno, lo que resulta interesanTABLA 34 Composición del jugo del cogollo y la calla cogollo

Caña

oBríx

9,59

18,20

Pol

1,13

15,36

Reductores

8,46

3,85

60

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR TABLA 35

Composición química de la paja molida con un molino de cuchillas (% sobre la base de materia seca) 4~b Celulosa

44,84

Lignina

12,73

Pentosanas

25,63

Cenizas

7,61

Pectina

4,24

Solubilidad: Agua fría

10,28

Agua caliente

13,49

NaOH a 1 %

49,09 4

Alcohol-benceno

3,85

Humedad

9,64

te compararlo, en este sentido, con otros productos vegetales, lo que se presenta en la tabla 36. TABLA 36 Valor alimenticio comparativo de la paja y el cogollo Proteína digerible (ojo)

Extracto libre de Fibra nitrógeno (%) (oio)

Sorgo

0,8

14,0

7,0

Millo

0,7

12,1

7,0

Hojas y cogollo

0,8

12,2

8,6

Desde el punto de vista de su uso como combustible, en cuanto a valor calórico bajo (VCB) de los residuos de la cosecha, éste puede ser calculado con las fórmulas usadas regularmente para bagazo, como la dada por Hugot sobre la base de la humedad: VCB = 4 250 - 4 850 H kcal/kg donde H es la humedad expresada como fracción presente en los desechos . Cuando se vaya a estudios más cuidadosos sobre sistemas de recolección y ,preparación específicas, resultará ade-

cuado una determinación del valor calórico por "la afectación que pudiera ejercer sobre este índice la presencia de tierra y otros elementos del suelo. 2.3.2 El bagazo y la medula 2.3.2.1 BAGAZO

El bagazo, residuo fibroso que queda de la caña después de haber sido sometida ésta al proceso de extracción, ha sido tradicionalmente utilizado como combustible en la fábrica de azúcar, habiéndose desarrollado una gran experiencia en este sentido, hoy en día no es posible encontrar calderas de este combustible con eficiencia hasta de 82 % sobre la base del VCB, trabajando a presiones y temperaturas hasta de 80 atm y 450T y con capacidades de generación hasta de 300 t/h . En los últimos 20 a se ha visto también el desarrollo del bagazo como fuente de materia prima para la producción de papel, madera artificial y en alimentación animal. De acuerdo con la práctica habitual, en Cuba, de molienda de caña, el bagazo muestra humedades entre 48 y 50 %, el resto es fibra, entre 44 y 49 %, y sacarosa, azúcares reductores e impurezas solubles no extraídas, de 2,7 a 3,5,% ., En cuanto a la composición de especies químicas presentes en el bagazo (materia insoluble), se puede considerar, la que se expresa en la tabla 37. TABLA 37 Composición de la fibra de la caña (bagazo) Celulosa

45,0

Pentosanas

25,8

Lignina

22,3

Cenizas

3,5

Como composición elemental de la fibra se puede tomar : carbón 47,0 %, hidrógeno 6,5 %, oxígeno 44 % y ceniza 2,5 %. En cuanto a las propiedades físicas del bagazo, muestran una fuerte dependencia con el proceso de extracción a que se somete la caña, esto es, preparación y molienda, además de la variedad, que tiene también cierta influencia sobre estas propiedades . Para la densidad se reportan valores entre 80 y 120 kg/m3, cuando está suelto sin apilar, entre 135 y 240 kg/m3, cuando está apilado y entre 350 y 450 kg/m3, cuando está empacado.

LA CAÑA DE AZüCAR COMO FUENTE DE ENERGIA 2.3 .2 .2

MEDULA

La medula o meollo, estructuralmente, constituye el tejido parenquimatoso que envuelve los haces vasculares en la caña y que contiene el jugo. Industrialmente, sin embargo, compone una mezcla de partículas de este tejido con fibras de corta longitud, tierra y otras materias extrañas, y que forma el rechazo de las operaciones de tratamiento del bagazo para mejorar y clasificar la fibra con destino a la producción de pulpas y madera artificial . De acuerdo con el contenido de humedad del bagazo y la forma de hacer el desmedulado, existen diferentes formas para llevar a cabo esta operación. Desde puntos de vista de utilización inmediata como combustible, interesan las formas de desmedulado en que el bagazo no tiene humedades superiores a 50 %, es decir, tal cual sale de los molinos, fracción que puede llegar a representar, de acuerdo con el proceso tecnológico, hasta 30 % del peso del bagazo integral utilizado, por lo que puede constituir un volumen apreciable de materia combustible . Existen muchas opiniones en cuanto a la utilización de la medula como combustible, pero la práctica ha demostrado, en definitiva, sus bondades económicas . La cuestión fundamental es sobre los problemas que puede crear su combustión sola. Sin embargo, esto no tiene sentido, pues aun quemándose juntamente con bagazo integral, en las proporciones reconocidas como adecuadas hasta del orden de 4 de medula por 1 de bagazo integral, o juntamente con un combustible fósil, resulta económica su utilización que, por otra parte, ofrece una forma de disponer de ella. Resulta adecuado hace notar que la medula puede tener otros usos en la alimentación animal y que es una cuestión socio-económica su utilización en uno u otros usos. En cuanto a su poder calórico, W. Y. Chou da como valores aproximados para el VCB los obtenidos de la expresión : VCB =

4 076 - 46,8 H kcallkg.

donde H es la humedad expresada en tanto por ciento . 3 Potencialidad de la industria de azúcar de caña como fuente de materia prima y energía

3.1 SITUACIóN ENERGÉTICA ACTUAL DE LA INDUSTRIA AZUCARERA La industria de azúcar de caña, desde puntos de vista energéticos ha seguido esquemas donde

61 el bagazo, residuo de la producción, se utiliza como combustible en proceso, lográndose un equilibrio tal entre bagazo producido y bagazo requerido, que al mismo tiempo que se evita el uso de combustibles externos, se dispone del bagazo producido . Es decir, en general, hasta que se comenzó a viabilizar la utilización del bagazo como materia prima para industrias de derivados- no se comenzó a entrar en consideraciones sobre ahorros de energía en los centrales azucareros, y aun entonces muy débilmente, pues, en general, resultaba más económico y menos riesgoso sustituir el bagazo por petróleo. En los últimos años, la llamada crisis energética que vive el mundo, ha provocado un incremento sustancial en el interés sobre los aspectos de ahorro de energía en la industria, tanto con vistas a la búsqueda de bagazo sobrante, como a la entrega de energía eléctrica marginal . Toda esta problemática ha sido motivo de extensos Y profundos debates, y ya hoy en día nadie duda que se pueden obtener sobrantes importantes de bagazo, mayores que 30 % del producido, o entregas sustanciales de energía eléctrica marginal, mayores de 180 x 103 kW - slt de caña, si las fábricas se diseñan para ello . Este equilibrio que se ha logrado entre bagazo producido y quemado en los hornos, ha inducido, de cierta manera, en la práctica, a que los consumos de energía se comporten como una función de las características de la materia prima; así en ingenios como los ubicados en las zonas calientes y húmedas, Guyana, por ejemplo, donde se producen y consumen alrededor de 3,8 t de bagazo/t de azúcar, el consumo de energía es del orden de 7 000 kcallkg de azúcar, mientras que en zonas subtropicales más frescas y secas como Cuba, se producen y consumen alrededor de 2,6 t de bagazo/t de azúcar, que equivale a un consumo de energía del orden de 4 500 kcallkg de azúcar . Las diferencias en este índice ocurren, fundamentalmente, como producto del desarrollo de los esquemas, de acuerdo con la calidad de la materia prima, contenido de sólidos en el jugo, pureza de éste y fibra en caña, fundamentalmente . En la práctica, se encuentran consumos menores cuando se han remodelado las fábricas para lograr altas eficiencias energéticas . Tal es el caso en algunos centrales de Taiwan, donde siguiendo un programa de racionalización energética en la industria por más de 30 a, con vistas a la industrialización del bagazo, han disminuido los consumos a valores de 3 350 kcallkg de azúcar . La idea principal que se ha tratado de comunicar, es que la situación energética de las fábricas actuales, es una consecuencia del desarrollo de la industria, de acuerdo con las' características de la materia prima y las restricciones impuestas por las economías de producción de' azúcar de caña, energía eléctrica y productos celulósi-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CASA DE AZOCAR

62

cos, y dista bastante, en cuanto a aprovechamiento energético, de lo que se puede lograr según la tecnología actual . Los aspectos fundamentales en los que usualmente hay reservas de energía en el proceso de fabricación de azúcar de caña, son la generación de vapor y la forma de utilización del vapor en el proceso tecnológico, a los cuales se hace referencia en los acápites siguientes.

base del valor calórico alto. Las pérdidas fundamentales que gravan la eficiencia son :

3.2 GENERACION DE VAPOR

Las pérdidas por radiación y convección pueden cargar entre 2 y 12 % del calor liberado por el combustible, en dependencia de las características y estado del aislamiento térmico, mientras que los otros 2 aspectos pueden representar, el primero desde 2 % hasta valores superiores a 15 %, en dependencia de la presencia de CO en los gases y la no combustión completa del bagazo, y el segundo desde 11 % hasta valores superiores a 30 %, en dependencia de la temperatura de los gases de chimenea, fundamentalmente, del exceso de aire utilizado y de la humedad en bagazo . Tanto las características en que se desarrolla la combustión como el calor sensible de los gases de chimenea, representan las reservas grandes de energía en generación de vapor y ambos están íntimamente ligados a la configuración, el primero al tipo de horno y el segundo a la presencia de adecuados elementos de recuperación de calor.

El vapor, en la fábrica de azúcar, sirve para propósitos de generación de potencia, en una primera etapa de utilización, y como agente calefactor a la salida de las máquinas . La gran incidencia de la generación de vapor, en el esquema general de proceso de una fábrica, nos lo da el índice de consumo que es como promedio entre 4,0 y 7,0 kg de vapor/kg de azúcar producido, en dependencia de las características del esquema energético. Esta área carga, en general, con las pérdidas mayores de energía de la fábrica, 20 % de la energía liberada por el combustible en las instalaciones más eficientes, entre 35 y 45 %, en la mayor parte de las fábricas y aun hasta 55 %, en casos de mala eficiencia extrema . Desde puntos de vista económicos, la generación de vapor muestra altos índices también, cargando con valores del orden de 20 % de la inversión total . Todos estos elementos hacen de esta sección de la fábrica una de las más importantes de la misma. 3.2.1 Eficiencia térmica . Fuentes de ineficiencia Asociadas a la generación de vapor existen 2 medidas que muestran el índice de aprovechamiento energético, la eficiencia de conversión de la energía liberada por el combustible en las calderas y el nivel de disponibilidad de esta energía. Ambos aspectos representan reservas de energía, el primero, a través de cambios en la configuración de las calderas y el segundo, mediante cambios en las condiciones de presión y temperatura del vapor generado. 3 .2.1.1

EFICIENCIA DE CALDERAS

La eficiencia se define como el calor liberado por el combustible menos las pérdidas, expresada esta diferencia como tanto por ciento del calor liberado. La eficiencia se puede definir sobre la base del valor calórico alto o bruto del combustible o sobre la base del valor calórico bajo o neto. Las mejores eficiencias que se obtienen en generación de vapor con bagazo son del orden de 80 % sobre la base del valor calórico bajo, que corresponden a 65 % sobre la

a) Pérdidas por radiación y convección por las paredes . b) Pérdidas por combustión incompleta. c) Pérdidas de calor sensible en los gases de chimenea.

3.2.1.2 NIVEL DE DISPONIBILIDAD DE LA ENERGIA Toda la energía en forma de calor que recibe el agua en la caldera al evaporarse y sobrecalentarse no se puede convertir en energía mecanica. Una mayor parte de ella no es convertible aun en una máquina ideal, ya que hay que desechar o arrojar al foco frío esta energía no convertible. Se dice que en el vapor de alta, de acuerdo con sus condiciones de presión y temperatura, hay una cantidad máxima de energía aprovechable con respecto a las condiciones del vapor de baja. En los ciclos de plantas eléctricas de las fábricas de azúcar, esta máxima energía aprovechable viene dada por la caída isentrópica de la entalpía del vapor de alta presión desde sus condiciones de presión y temperatura hasta la presión de escape de las máquinas . En la tabla 38 se muestran los valores de energía aprovechable del vapor a diferentes condiciones de generación, con respecto a una presión de escape de 1 atm manométrica . La conversión de la energía aprovechable en energía mecánica dependerá de las características de las máquinas utilizadas y del régimen de trabajo y puede oscilar, en general, entre 50 y 80% .

LA CAÑA DE AZOCAR COMO FUENTE DE ENERGIA TABLA 38

10/sat.

72

664

En la tabla 39 se puede observar, que entre los casos extremos se puede aumentar en 220 % la generación eléctrica por kilogramo de bagazo quemado, con una disminución de sólo 17 % en el vapor producido . Es interesante también observar, que trabajando a 87 atm y 460 °C (88 kglcm' y 860"F) se obtiene 30 aio más de energía eléctrica que trabajando a 27 atm y 400°C (28 kglcm'y4W°C), manteniéndose prácticamente invariable la generación de vapor por kilogramo de bagazo incinerado.

17/sat.

91

667

3.2.2 Eficiencia de combustión

17/315

107

731

27/400

142

774

58/400

167

761

58/460

182

794

84/460

192

785

Las pérdidas en el horno se refieren a las pérdidas de eficiencias que se producen al no quemarse totalmente el bagazo hasta productos gaseosos finales cuyo valor calórico sea nulo . Estas pérdidas se deben a 2 causas fundamentales, una de índole mecánica y otra de índole química. La primera no es más que la pérdida por arrastre de partículas sin quemar o quemadas parcialmente anies de finalizar la combustión y la segunda consiste en que, en cierto grado, puede no realizarse completamente la última de las reacciones de combustión, el paso de monóxido a dióxido de carbono, dejando cierto valor calórico remanente en los gases. Las pérdidas por combustión incompleta están influidas, directamente, por el exceso de aire usado sobre el teórico y el comportamiento aerodinámico del horno. Aire insuficiente implica formación de monóxido por baja concentración de oxígeno, mientras que el aire por encima del exceso que garantice la combustión adecuada desde puntos de vista de concentración de oxígeno, enfría demasiado el horno siendo contraproducente el efecto, apareciendo monóxido de carbono en los gases . Además incide, indirectamente, la humedad en el bagazo, cuya presencia hace disminuir la temperatura de combustión y provoca la presencia de monóxido de carbono . El efecto de la presencia de monóxido de carbono en el VCB de combustible Se tiene en cuenta en la fórmula que se ofrece a continuación:

Energía aprovechable en el vapor para diferentes condiciones Condiciones del vapor presión (atmltemp. 'C)

Energía aprovechable (kcal/kg)

Entalpfa del vapor (kcal/kg)

Para tener una idea de lo que puede significar este aspecto de eficiencia de utilización de la energía térmica, a continuación se comparan las posibilidades del vapor a diferentes condiciones . Si se considera que la eficiencia de caldera es de 75 %, la eficiencia de conversión de energía térmica en mecánica es de 70 %, la entalpía del agua de alimentación es de 100 kcallkg y el bagazo tiene un valor calórico bajo de 1 800 kcallkg, la energía mecánica que se puede obtener por kilogramo de bagazo y el vapor obtenido se muestran en la tabla 39. TABLA 39 Energía mecánica y vapor obtenido por kilogramo de bagazo quemado Condiciones del vapor presión (atm/temp. 'C)

Energía mecánica Vapor producido (kW .h/kg (kg de vapor/ de bagazo) /kg de bagazo)

10/sat .

0,140

2,39

17/sat .

0,176

2,38

17/315

0,187

2,13

27/400

0,232

2,00

58/400

0,279

2,04

58/460

0,288

1,94

84/460

0,308

1,97

VCB = 1 600 - 2 200 W + . 2 650 a (1 - H) donde a es la fracción de carbón presente en el bagazo convertido en anhídrido carbónico y H la humedad en el bagazo, expresada también en forma de fracción del peso de bagazo húmedo . El VCB viene expresado en kilocalorías por kilogramo de bagazo húmedo. El valor de a se obtiene de la fórmula : 391,7 - (12,2252

+ 0,105167 P)

(% CO)

391,7 + (7,3677 + 0,093262 .8) (96 CO)

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZDCAR

aó,o Fig, 33 Relacidn CO,/CO/aire en exceso.

donde (i es el tanto por ciento de aire en exceso utilizado, que puede ser obtenido de la figura 33 mediante el tanto por ciento de COz del análisis de lo's gases de combustión . En el horno transcurre el proceso de liberar, mediante la combustión, la energía del combustible que es un factor determinante en la eficiencia final de la caldera . La cantidad de aire en exceso utilizada para la combustión, así como la forma en que se realiza el contacto de éste con el combustible, son elementos fundamentales en las pérdidas por combustión incompleta. Sobre esto, a su vez, tiene una incidencia directa el tipo de horno . En las calderas modernas de alto régimen de generación, se han sustituido los hornos de celda y parrilla inclinada por hornos de parrilla horizontal móvil, oscilante o viajera, donde el bagazo en vez de apilarse es lanzado secándose y quemándose, parcialmente, en el aire, formando un colchón parejo sobre la parrilla . Estos hornos han permitido disminuir los insumos de aire en exceso de 50 a 100 %, a valores de 20 a 50 %, en dependencia del diseño, condiciones de operación, etc . Esto representa aumentos de efi-

ciencia sobre la base del valor calórico bajo del orden de 15 % . 3.2.3 Recuperación de calor sensible de los gases Los elementos comúnmente utilizados en recuperar parte del calor sensible de los gases a la salida de lo que es propiamente la caldera, lo constituyen el economizador o calentador de agua de alimentación a la caldera y el precalentados de aire. La utilización de estos elementos no se ha difundido mucho en la industria de azúcar de caña, sólo en aquellos casos en que se han buscado sobrantes de bagazo en los últimos años o donde se entrega energía eléctrica para otros fines, se encuentran tales elementos . Como consecuencia de la recuperación de calor sensible de los gases, se puede aumentar en 1 % la eficiencia de caldera por cada 14'C de disminución en la temperatura de los gases, pudiéndose lograr incrementos hasta del orden de 15 % . Las temperaturas mínimas usuales en los gases, a la salida de estos elementos, son del orden de 160 a 200"C, utilizándose, generalmente, ambos elementos, los gases primero pasan

LA CAÑA DE AZúCAR COMO FUENTE DE ENERGIA

65

por el economizador o se utiliza solamente precalentador de aire. Temperaturas inferiores pueden conducir a problemas de corrosión, aunque estos criterios hoy se pueden considerar obsoletos ante los precios de los combustibles y de acuerdo con la utilización que se le vaya a dar a la energía marginal . últimamente, ha aparecido un nuevo elemento recuperador de calor sensible de los gases, el secador de bagazo. Muchos análisis se han hecho en cuanto a su utilización, aunque de forma polarizada, sus autores casi siempre se han inclinado hacia su utilización. Un análisis de las posibilidades del secado de bagazo debe comenzar por un estudio técnico-económico comparativo, con las formas convencionales de aprovechar el calor sensible de los gases de chimenea, es decir, el economizador y el precalentador de aire, donde se maneje las diferentes posibilidades y tomando la misma base.

clinada y hornos de parrilla horizontal. Estos, a su vez, pueden ser de parrilla fija o parrilla móvil. Los hornos de parrilla muestran eficiencias más elevadas, a causa de la trayectoria que sigue el bagazo que permite que éste se seque antes de entrar directamente en el área de combustión y por el hecho de que el aire atraviesa el colchón de bagazo haciendo que se requiera menos aire en exceso . Además, en los hornos de parrilla, resulta más fácil una automatización eficiente de la combustión, así como una mecanización de la extracción de cenizas. Sin embargo, los hornos de parrilla requieren una inversión inicial mayor y una mejor calificación de sus operadores . Desde hace años, existen modelos de hornos de parrilla que combinan una aceptable eficiencia, tanto para el bagazo como para el petróleo, este último como combustible auxiliar, con' paredes de agua, las que como superficies de transferencia, eminentemente radiantes, muestran coeficientes de transferencia de calor superiores, obteniéndose, al mismo tiempo, cierta protección para el material refractario, disminuyendo además, la temperatura de los gases a la salida del horno, con lo que disminuye la tendencia a la formación de escoria y acumulación de cenizas, sobre todo en la zona del sobrecalentador, al ser menos probable que se alcance su punto de fusión . Por último, un elemento que elimina, prácticamente, los hornos de celda, .lo constituye la tendencia actual en cuanto a las capacidades de las calderas . La práctica de muchas calderas con baja capacidad, ha ido evolucionando con el desarrollo de estos equipos hacia bajo número de unidades de alta capacidad y aun, en algunos casos, a la utilización de una sola unidad, y se ha llegado a calderas hasta de 270 t de vapor/h. Las características de diseño de los hornos de celda no permiten tales capacidades.

3.2.4 Criterios sobre equipos. Tendencias El elemento fundamental que diferencia las calderas de las fábricas de azúcar es el horno, por las características especiales que debe mostrar para quemar el bagazo de forma eficiente. El resto de la caldera, en general, no muestra nada particular y el resultado de los diseños actuales es sólo una consecuencia de la economía actual de la producción de azúcar, de caña, un elemento sí muy controvertido en la problemática actual de la generación de vapor, es el referente a las condiciones máximas de presión y temperatura que se pueden utilizar con vistas a lograr altas eficiencias en el ciclo energético . 3.2.4.1

SOBRE LOS HORNOS

Los hornos para quemar bagazo se pueden dividir en 2 grupos: hornos de celda y hornos de parrilla . En los hornos de celda el bagazo se quema en una pila, a este grupo pertenecen los hornos: Cook, Ward, Martin y otros. En los hornos de celda la eficiencia resulta baja con relación a los de parrilla, a causa de que requieren mucho más aire en exceso que éstos. Por otro lado, la combustión no es susceptible de ser automatizada eficientemente, por la lentitud de su respuesta ante los cambios de carga. Estos hornos muestran altos costos de mantenimiento por el gran volumen de obra refractaria que requieren, presentan, además, el problema de la extracción de ceniza que necesita mucho tiempo y esfuerzo . Tienen la ventaja de no demandar mucho cuidado o destreza por parte de los operadores. Por otra parte, los hornos de parrilla se dividen en 2 grandes grupos : hornos de parrilla in-

3.2.4.2

SOBRE LAS CONDICIONES DE PRESIóN Y TEMPERATURA DEL VAPOR

El esquema energético de una fábrica de azúcar de caña, constituye un caso de alta demanda de energía térmica, acompañada dé baja demanda de energía mecánica, lo que hace que toda ésta pueda ser obtenida del vapor, previo a su utilización como agente calefactor, con la consiguiente alta eficiencia del calor transformado . Es decir, que el vapor que va á proceso como agente calefactor, donde se condensa, previamente ha disminuido su nivel de energía al pasar por los motores primarios ; por lo general, hay una parte del vapor que va a proceso que es desviado por una válvula reductora, en vez de ir a los motores primarios, con la finalidad de compensar o balancear la demanda de las máquinas y la de proceso, que nunca son exactamente iguales. Sobre la base de esto, y

66

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR TABLA 40

Aprovechamiento de la energía térmica a diferentes condiciones de presión y temperatura 17,5 kg/cm2 315 °C 42 kg/cm2 343 °C 42 kg/cm2 400 °C 88 kg/cm2 454 'G Indice de consumo específico teórico (escape 2,1 kg/cm' de vapor kW .h) Entalpia del vapor (kcal/kg)

9,46

6,77

6,19

4,90

731,7

733,3

766,1

782,2

0

.10,3

13,7

24,0

Bagazo requerido para generar la energía marginal (g de bagazo/kW h)

0

310

450

Idem . expresado como petróleo equiválente (g/kW . h)

0

62

76

Equivalente en petróleo de la energía eléctrica marginal (kg/t de caña) (según índice de 300 g/kW - h)

3,09

4,11

Energía eléctrica marginal (kW . h/t de caña)

una vez que se disponga de la demanda de vapor de proceso y la demanda de energía mecánica, y fijadas las condiciones del vapor de escape, se pueden calcular las condiciones de presión y temperatura requeridas en el vapor de alta. Este mecanismo de cálculo de las condiciones de presión y temperatura, juntamente con lo concerniente a la generación de energía eléctrica marginal, está íntimamente ligado a lo que es la disponibilidad de la energía en el vapor, según sus condiciones de presión y temperatura y las condiciones contra las que se mide la disponibilidad, en este caso las condiciones del vapor de proceso . La tabla 40 está construida sobre la base de la generación de vapor con alta eficiencia térmica y en ella se puede bbservar cómo disminuye el índice teórico entre 18 kg/eme y 315 °C y 88 kg/cm2 y 454 °C, disminuye casi a la mitad, mientras que el índice de generación de vapor disminuye sólo de 2,25 a 2,09, es decir, menos de 10 % . Para un ingenio con demandas normales de energía eléctrica (y mecánica), en la tabla 40 también se muestra lo que pueden significar la energía eléctrica marginal, las condiciones de presión y la temperatura del vapor . 3.3 ESQUEMAS DE PROCESO El esquema tecnológico de producción de azúcar y el esquema energético de la fábrica están íntimamente ligados en el área de calefacción-evaporación-cocción, su configuración es un factor determinante en la eficiencia energética global . En esta área se concentra, prácticamen-

7,2

te, todo el vapor que se utiliza como agente calefactor . A través de más de 100 a de desarrollo de lo que se puede llamar producción industrial de azúcar de caña, se ha llegado a esquemas de proceso, que de acuerdo con las condiciones particulares de cada fábrica, logran consumos de vapor balanceados con la demanda de vapor en energía mecánica y las posibilidades de generación de acuerdo con la fibra de caña. 3.3.1 Esquemas tradicionales y sus reservas de energía Las fábricas de azúcar que llamamos tradicionales, por constituir la gran mayoría que no se dedican a otras producciones que a la de azúcar crudo, muestran esquemas de proceso en el área de calefacción-evaporación-cocción similares . En general, las 3 operaciones reciben, independientemente, vapor de escape de las máquinas . En dependencia de los valores medios del tanto por ciento de fibra en caña y del grado brix del jugo mezclado, se encuentran casos en que se hace algún uso de vapor vegetal para calefacción y cocción, con vistas a mejorar la eficiencia energética, y no utilizar combustibles externos, pero sin que se encuentren esquemas complejos de alta eficiencia como los utilizados en la industria de azúcar de remolacha . El consumo de vapor en proceso, según esquemas tradicionales, varía entre 45 y 60 % del peso de la caña, en dependencia del número de efectos en evaporación múltiple que se utilicen, y del uso que se haga de vapor vegetal en calentadores primarios y en tachos. En esquemas proyectados para un uso eficiente del vapor, este va-

67

LA CAÑA DE AZOCAR COMO FUENTE DE ENERGIA

for puede disminuir hasta valores prácticos del orden de 38 % . 3.3.2 Uso eficiente del vapor en proceso El uso eficiente del vapor en proceso depende, entre otras cosas y fundamentalmente, de los siguientes aspectos : 1 . Utilización en evaporación del máximo número de efectos técnica y económicamente posibles. 2 . Realización de toda la calefacción del jugo y el máximo de cocción de masas cocidas, mediante extracciones de vapor del múltiple efecto . 3 . Realización de las extracciones para calefacción y cocción tan cerca del condensador como sea posible, adecuando para ello la calefacción escalonada de los jugos. 4. Utilización de la autoevaporación de los condensados en las etapas de presión inmediata inferior a la suya. 5 . Evaporación al máximo del grado brix tecnológicamente posible en evaporadores . Trabajar al máximo de grado brix posible las mieles A y B alimentadas a tachos. Es decir, disminuir al mínimo la evaporación en tachos. El uso de un número alto de efectos en evaporación múltiple, tiene sus limitaciones, por cuanto hay un diferencial máximo de temperaturas fijado por la temperatura del vapor de escape y la del condensador y al aumentar el número de efectos disminuyen los diferenciales de temperatura en cada etapa y como ésta es la fuerza motriz de la transferencia de calor, se hace necesario aumentar la superficie de transferencia para mantener la evaporación requerida. Además, las diferencias de temperatura, en cada etapa, no se pueden disminuir por debajo de ciertos valores so pena de hacer imposible la operación de forma adecuada y eficiente . En cuanto al uso de las extracciones para cocción y calefacción, interviene como elemento fundamental la presión de escape de las máquinas que fijan el límite superior de temperatura . Usualmente, en los esquemas convencionales esta presión es de 1 atm manométrica, con lo cual se logran adecuados diferenciales de temperatura en calefacción, evaporación y cocción. Sin embargo, las temperaturas de los vapores vegetales resultan bajas si se pretenden proyectar esquemas de alta eficiencia energética . En estos casos hay que ir a presiones del orden de 1,3 a . 1,75 kg/cm'

La autoevaporación de los condensados, que puede representar ahorros de vapor de proceso del orden de 5 % del total, se utiliza en algunos ingenios tradicionales donde se han dado pasos en la búsqueda de esquemas de mayor eficiencia. 3.3.3 Criterios sobre equipos La esencia de los esquemas de proceso de alta eficiencia, reside en que el evaporador trabaja no sólo como concentrados del jugo, sino, a la vez, como generador de vapor para calefacción y cocción . Cuando se entra en los detalles de diseño de estos esquemas, surgen, para lograr los objetos propuestos, compromisos que son refutados, en muchas ocasiones, por los técnicos y los responsables de la producción, éstos son, fundamentalmente : presión superior en el vapor de calefacción, mayor complejidad en la instalación, inestabilidad en la operación de los evaporadores y, en algunos, uso de equipos no convencionales en la industria de azúcar de caña. Las presiones de vapor de escape superiores hasta 1,75 kg/cm 2 o aun hasta 2,10 kg/cm2, permiten temperaturas suficientemente altas en los vapores extraídos para tachos y última etapa de calefacción del jugo alcalizado, lo que permite disponer de diferenciales de temperatura adecuados en las diferentes etapas de calefacción . El uso de estas presiones en el vapor calefactor, se ha tratado por los autores clásicos de la ingeniería azucarera y no implica ningún riesgo . Está aceptado que en múltiple efecto se puede hervir el jugo hasta temperaturas de 120"C, en los convencionales vasos Robert o hasta 125°C, en los vasos de película como el Kestner. Esto implica presiones en la calandria del orden de 1,75 a 2,10 kg/cm2 , respectivamente . El uso de una presión de escape tal que permita una presión de 1,75 kg/cm2, en la calandria del primer vaso, es suficiente para obtener diseños que muestren consumos teóricos de 33 kg de vapor/100 kg de caña en proceso, con lo cual no hay que ir a evaporadores de película, lo que, por otra parte, no debe ser problema, después de más de 70 a de uso en la industria de azúcar de remolacha, e inclusive algunas experiencias en la industria de azúcar de caña. La mayor complejidad en la instalación, es una consecuencia del alto nivel de interconexión que requiere el sistema por calefacción escalonada, la extracción a tachos y la autoevaporación de los condensados . Esto es cierto, pero en sí no constituye nada poco usual en industrias de procesos químicos . La inestabilidad de operación es una consecuencia del uso .de extracciones para cocinar en los tachos, demanda que por la condición discontinua del trabajo en los tachos, muestra un carácter muy variable a través del tiempo, perturbando la operación de los

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

o8

evaporadores, problema éste que se resuelve con adecuados sistemas de control, programación en la operación de los tachos y mediante el uso de elementos estabilizadores de la demanda de vapor, como es el acumulador de vapor . El termo y el turbocompresor son los elementos no convencionales que, a veces, son componentes de esquemas propuestos de alta eficiencia . El termocompresor, que recomprime vapores vegetales del múltiple efecto, mediante vapor de alta presión, para ser utilizado de nuevo juntamente con el vapor de escape, se encuentra bastante difundido en la industria de azúcar de remolacha y se ha utilizado poco en la industria de azúcar de caña . El turbocompresor, que recomprime vapores vegetales con elementos mecánicos, para ser reusado en calefacción, se ha experimentado algo en la industria de azúcar de remolacha y no se ha reportado su utilización en la industria de azúcar de caña . La utilización de ambos equipos en esquemas energéticos, es una cuestión de diseño de ingeniería en cada caso. El termocompresor puede mejorar la eficiencia cuando sustituye a la válvula reductora como elemento de balance entre la cantidad de vapor de escape de las máquinas y la requerida en proceso . Esto tiene sentido cuando se busca bagazo sobrante, ya que cuando la alta eficiencia energética es dirigida hacia entrega de energía eléctrica rinde mejores resultados buscar el balance mediante turbos de extracción-condensación con extracción automática. El turbocompresor sólo puede ser interesante cuando se busca bagazo sobrante y, al mismo tiempo, se dispone de otras formas de energía abundantes y baratas como energía hidroeléctrica, por ejemplo . 3.4 ESQUEMAS ENERGÉTICOS DE ALTA EFICIENCIA El desarrollo de esquemas energéticos de alta eficiencia en las fábricas de azúcar, está en dependencia no sólo del propió desarrollo de la industria azucarera, sino que tiene una importante relación con otros objetos socioeconómicos, como son el crecimiento de la industria de derivados, especialmente el de los consumidores de bagazo, y la política energética nacional . Esto hace que surjan variantes que conducen a diferentes configuraciones, de acuerdo con los objetivos que se fijen . Dentro del conjunto de estrategias posibles existen 2 fundamentales, por el hecho que se pueden considerar extremas, éstas son : 1 . Máximo de bagazo sobrante sin producción de energía eléctrica marginal . 2. Máximo de energía eléctrica marginal sin producción de bagazo sobrante.

Entre estas políticas extremas existe una tercera estrategia constituida por un conjunto infinito de alternativas que se diferencian por el peso que se le da a un objeto u otro en la concepción del esquema . En los próximos acápites de esta sección se presentan, en forma comparativa, los índices sobresalientes de estas 3 estrategias de desarrollo, utilizando como datos básicos los que aparecen en la tabla 41 . TABLA 41 Base de cálculo de los esquemas Eficiencia térmica de los turbos Condiciones del vapor de escape :

65 Presión

2,10 kg/cm'

Temperatura Saturado Consumo de energía mecánica : . Bagazo

(meo

de caña)

Total en fábrica

25 kW . h/t de caña 30

Humedad en bagazo

50

Vapor calórico bajo del bagazo

1825 kcal/kg

3.4.1 Producción de bagazo sobrante La obtención del bagazo sobrante es el objeto típico cuando se desea su utilización como materia prima para la industria de derivados . En las condiciones económicas actuales, la política de sustitución por petróleo de todo el bagazo de un ingenio no resulta económicamente aconsejable, existe la solución más rentable de obtener el máximo de bagazo sobrante en varias instalaciones y transportarlo a la planta consu. midora . La transportación representa un costo entre 3,00 y 9,00 pesos/t, de acuerdo con las distancias, tipos de vehículos, grado de compactación, etcétera, pero en todos los casos, es considerablemente menor al valor del bagazo combustible . Aceptado el objeto resulta de interés analizar su interrelación con los factores de diseño fundamentales asociados a la generación y utilización del vapor. En la figura 34 se ofrecen las condiciones de vapor generado que se requieren para distintos consumos de vapor en proceso y los niveles de bagazo sobrante para 3 eficiencias degeneración de vapor. Se puede ver que una disminución de 10 del consumo de vapor en proceso, posibilita la

E _ 0,78

E=0,68

PRESTON íkq/an:) 24,022,02010 18,016P 14,0 T . 0o 240-

12,0IOA _ 8.0 6,0-

200- 4,0150-

2,0 .0

30

40

50

60

Fig. 34 Condiciones de vapor requeridas y bagazo sobrante para el equilibrio vapor de proceso - consumo eléctrico y diversas eficiencias de caldera.

%VAPOR

70

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR

existencia entre 13 y 18 % más de sobrantes del bagazo total, haciéndose menos notable la influencia, en la medida que aumenta la eficiencia de calderas . Desde el punto de vista de ésta, 10 % de incremento representan aumentos entre 8 y 14 % en los sobrantes, en términos absolutos, también menos notables en las zonas de altas eficiencias de calderas y/o bajos consumos de vapor. El efecto combinado puede resultar un aumento del orden de 25 % del bagazo total que alcanza niveles teóricos de sobrantes en el rango de 35 a 50 % del bagazo producido . En un ingenio de 7 000 t/d de caña, este incremento representa sobrantes del orden de 80 000 t de bagazo/a, que equivalen a unos 15 000 t de petróleo y que a 120 pesos/t representan 1 800 000 pesos, lo que permite el retorno de las inversiones necesarias en una cosecha . Otro aspecto de interés es que no es necesario hacer la generación de vapor a altas presiones, para obtener estos resultados, siempre que se disponga de calderas de alta eficiencia térmica y una configuración en calefacción-evaporación-cocción que permita bajos consumos de vapor en proceso, así como que se opere establemente para lograr, en la práctica, estas eficiencias. 3.4.2 Alta eficiencia orientada hacia propósitos múltiples Entre las políticas extremas de alta eficiencia de obtención de bagazo sobrante o energía eléctrica marginal, existe un conjunto de alternativas que se diferencian por el peso relativo que se le da a un objeto o al otro dentro de la concepción del esquema. Existe, sin embargo, un punto que se puede considerar intermedio y que consiste en la producción de energía eléctrica hasta donde lo permita el volumen de vapor de proceso, es decir, la generación máxima de energía eléctrica, hasta donde lo permite la tecnología de generación de potencia con bagazo, sin la utilización de condensación parcial del vapor de escape de los turbos, lo que equivale al no sacrificio de bagazo sobrante en generación de energía eléctrica . En la figura 35 se muestran los cálculos realizados para 4 condiciones de generaciones típicas en la industria azucarera en el mundo . Los resultados varían de acuerdo con el consumo de vapor en proceso y la eficiencia de generación de vapor. Es importante aclarar, que los valores de energía eléctrica que se muestran, son los que, teóricamente, se pueden entregar después de deducido el consumo del ingenio. El valor correspondiente a cero bagazo sobrante, indica el punto en que a las condiciones dadas se equilibran el consumo de vapor en proceso y el que es posible obtener con el bagazo total disponible .

Se puede observar que con una eficiencia de generación de 78 % y un consumo de vapor de caña de 40 %, si se genera a 18 kg/cm2 y 343 °C, teóricamente, se puede obtener 39 % de bagazo sobrante, entregando 8 kW.h/t, de caña . Si se consideran calderas de alta presión, 588 kg/cm2 y 454 °C, manteniendo 78 % de eficiencia de generación, y con el mismo esquema de proceso con 40 % de consumo de vapor, sobre la base de caña, el bagazo sobrante resulta ser de 35 %, pero con una entrega de energía eléctrica de 29,5 kW .h/t de caña. En un ingenio de 7 000 t/d, esto representa 6 300 kW adicionales de potencia o 22,6 GW.h al año en 150 d de zafra, lo que resulta un ahorro de 6 300 t de petróleo equivalente por año, según los índices de consumo de las plantas eléctricas de 280 g de petróleo/kW.h. Desde el punto de vista del aumento de consumo de bagazo el incremento de generación eléctrica muestra un índice de 106 g de petróleo equivalente por kilowatt hora que representa 40 % de lo consumido en la termoeléctrica más eficiente . La diferencia en inversión en calderas, turbos e instalaciones auxiliares entre ambas alternativas se paga en 3 a, a los precios actuales del equipamiento y del kilowatt hora. En la figura 35 se puede ver el conjunto de combinaciones posibles . Se puede resaltar el hecho de que en la medida que se tenga mayor interés en la energía eléctrica, menores serán los requerimientos para la eficiencia del esquema de vapor en proceso y viceversa . Cuando el interés se centra en la electricidad, el problema del aumento de presión es siempre favorable, el óptimo es determinado mediante consideraciones inversionistas y operacionales . 3.4.3 Producción de energía eléctrica marginal En el desplazamiento gradual desde el objetivo de bagazo sobrante hacia la zona de mayor interés en la energía eléctrica, el extremo se presenta en aquellas instalaciones preparadas para la combustión de todo el bagazo y la utilización de todo el vapor no requerido en proceso, en la producción de energía eléctrica en turbogeneradores de extracción-condensación . En la figura 36 se presentan los cálculos realizados para 4 niveles de presión a un nivel intermedio de eficiencia. La recta ascendente, de izquierda a derecha, representa la producción marginal obtenida sobre la base del vapor de proceso y las rectas descendentes el total marginal de energía eléctrica producida, es decir, si se considera que se genera energía eléctrica con turbinas de condensación, utilizando el vapor excedente sobre el requerido en proceso . Estas rectas coinciden, por supuesto, en el punto donde el consumo de vapor en proceso es igual al total que se puede producir con todo el bagazo disponible .

Nw. tilt QITRFBA

so-. 58,8 k~ 434"C

42,0 kq/an6400^C

28,0 kq/c rp-, 4W°C

18,0 kg/anj343°C

30

40

30 % VAPOR EN CAÑA

Fig. 35 Energía marginal del proceso y bagazo sobrante tara un consumo de vapor, dadas diversas eficiencias de caldera y condiciones de generación.

72

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÜCAR

30

40

50

60

CONSUMO DE VAPOR EN PROCESO kg DE VAPOR/100 kg. DE CAÑA

Fig. 36 Producción de energía eléctrica de géneración marginal mdxíma (condensado), para distintas presiones y consumos de vapor en procesos (eficiencia de caldera 78 %).

Tomando como ejemplo las condiciones de consumo de vapor en proceso de 40 % del peso de caña se puede ver que a 58,8 kg/cm2 y 454 °C con eficiencia de caldera de 78 %, se producen 29,5 kW.h/t de caña con el vapor de proceso y 76,5 kW.h/t total quemando todo el bagazo . Esta

generación adicional de 45 kW.h/t de caña se realiza a costa de quemar 35 % del bagazo total producido que resultaría excedente, generando energía eléctrica sólo con el vapor de proceso . En un ingenio de 7 000 t/d, la producción marginal de potencia eléctrica sería de 22 300 kW.

LA CAÑA DE AZúCAR COMO FUENTE DE ENERGIA

73

Se obtendrían_ 8 600 kW del vapor de proceso y 13 700 kW, en los turbos de extracción condensación . La economía de la producción de estos 13 700 kW habría que estudiarla sobre la base del incremento de inversión en turbos y calderas y a la combustión de 306 tfh adicionales de bagazo . El consumo específico en petróleo equivalente de esa energía marginal adicional es de

El enfoque de utilización más generalizado consiste en analizar la posibilidad de sustituir de 10 a 20 % de la gasolina en mezclas alcohol-gasolina, para ser empleadas en los motores convencionales . Para este objeto se requiere de la incorporación de nuevas materias primas disponibles. en mayores volúmenes y menos comprometidas que la miel final. En los estudios y procesos inversionistas que se han realizado en los últimos años, la caña de azúcar ha resultado, con frecuencia, la candidata prioritaria a corto plazo. La caña presenta ventajas por sus altos rendimientos, la producción de un subproducto combustible y sus favorables balances energéticos, además de existir una infraestructura agrícola e industrial y un conocimiento tecnológico desarrollado . No obstante, la competencia por tierras fértiles en el marco del problema alimentario, la magnitud de las inversiones y la competencia con la producción de azúcar y miel hacen crítica la economía de esta producción. A más largo plazo, las posibilidades del alcohol combustible se pueden calificar como dudosas, si se calcula que un automóvil requiere para su operación 0,8 ha de tierra fértil, si utiliza este combustible obtenido de la caña.

433 g/kW .h .

Las ventajas económicas de generar energía eléctrica marginal con todo el bagazo dependerán, en cada caso, de los usos que pueda tener el bagazo y la disponibilidad y costo de otras formas de energía.

4 Otras formas de utilización de la caña como fuente de energía 4.1 PRODUCCION DE ALCOHOL COMBUSTIBLE 4.1.1 Criterios generales La producción de alcohol carburante a partir de la caña de azúcar, es la alternativa de uso energético que más interés y tratamiento ha tenido en los últimos años. El producto obtenido es un combustible líquido que puede sustituir a los derivados del petróleo en sectores como el transporte o la industria química, que representan cerca de 45 % de la utilización actual de los hidrocarburos, y donde otras fuentes energéticas, atómica, hidráulica, geotérmica, solar, etcétera, no pueden ser utilizadas . El etanol puede ser producido por fermentación a partir de cualquier fuente de carbohidratos -sacarinas, amiláceas, sustancias celulósicas- entre las cuales, la miel final del proceso de producción de azúcar es una de las materias más utilizadas . Con pocas excepciones y a causa de la inestabilidad del mercado y la competencia del alcohol sintético, se trata de una industria de lento desarrollo tecnológico. Desde el punto de vista . de la eficiencia energética, la industria existente es producto de los criterios de diseño y operación de la época de los combustibles baratos . Las ventajas de la integración energética con los centrales ha sido poco utilizadb~, Yr la industria alcoholera presenta índices pie aonsumo de fuel de 30 - 40 kg/100 l de alcohGá. Las n spectivas energéticas han determinado se reconsidere la posible contribución del etanol a partir de la biomasa en el -balance de los combustibles líquidos . Estos análisis resultan, en general, en que las reservas de capacidades y disponibilidades de miel existentes no son suficientes para satisfacer la demanda que abre el sector de los carburantes . 3~

4.1.2 Uso del alcohol como combustible En diversas épocas y países se ha empleado el alcohol como combustible, en especial en situaciones de crisis . En la actualidad, son notables los esfuerzos que se dedican a los planes alcoholeros en el Brasil y Estados Unidos . El primero basa su industria, fundamentalmente, en la caña de azúcar, mientras que los norteamericanos recurren a sus disponibilidades de maíz. Otros muchos países se encuentran, también, en distintas etapas del desarrollo de esta línea . Existen 2 alternativas en la forma de empleo del alcohol carburante: la más generalizada es la utilización de mezclas de alcohol (10 - 20 %) -gasolina para lo que no se requiere cambios en los motores de explosión de chispa convencionales ; la segunda opción, más radical, consiste en el uso de motores específicamente diseñados para operar con 100 % de alcohol como combustible . La alternativa de las mezclas que han sido empleadas con diversos nombres como el mofuco (Cuba), alcoholina (Brasil), gasohol (Estados Unidos), requiere de la utilización de alcohol deshidratado (99,2) ya que una mezcla que contenga más de 0,3 % de agua se puede separar en 2 fases y causar serias fallas en el motor. Se ha estudiado el empleo de diversos aditivos que prevengan la separación de fases y permitan utilizar el alcohol natural, pero ninguno ha tenido resultados satisfactorios hasta el momento . Por

TABLA 42 comparativas del etanol y la gasolina Propiedades Gasolina

Propiedades químicas

Etanol

Fórmula

CH3CH20H

C, -

C,2

Varía

Peso molecular

46,1

H (% en peso)

13,1

Relación C/H

4,0

5,6-7,4

9,0

14,2-15,1

Gravedad específica

0,794

0,70-0,78

Punto de ebullición (C)

78,3

26,6-226,6

52,1

C (% en peso)

O (% en peso)

85-88 12-15

Indefinido

4,7

Relación estequiométrica aire/combustible Propiedades físicas

Punto de fusión ("C)

-113,8

Solubilidad en agua

Infinita

Tensión superficial

(dynlcmz)

Constante dieléctrica

-

24,3

-

1,17

Resistividad específica

0,3

térmicas

Valor calórico bajo kJ/kg kf/1

Valor calórico alto

240 ppm

23

Viscosidad a 20 °C (cP) Propiedades

-56,7

0,288 X

108

2 X 10'8

5509,7

9 055,0 (promedio)

20422,6

32 038,7 (promedio)

6132,6

9-06,8

23432,1

34648,0

kf/kg

919,8

348,1

kJ/t

937,8

249,8

kJ/kg kf/1

Calor de vaporización

Número octano Lab. Bomba Límite de inflamabilidad (°ie en volumen de aire) Calor específico (cal/g-C)

Temperatura de autoignición ('C) Punto de rocío

106-108 98-100 4,3-19,0 0,60 362,7

-21,7

91-105 86.90 1,47,6 0,48

221,1-260,0

-45,5

LA CARA DE AZOCAR COMO FUENTE DE ENERGIA

7

consiguiente, es necesario usar alcohol anhidro en las mezclas y tomar las medidas de precaución para evitar la humedad en las tanques de almacenamiento y transporte . Los motores que trabajan con alcohol natural se han ensayado, en gran escala, en el Brasil. Por sus resultados y los grandes vc,lúmenes de producción de alcohol que implica la sustitución total de la gasolina, no parece que sea posible la repetición de esta experiencia. Tampoco se han obtenido éxitos relevantes en los esfuerzos realizados con el objeto de sustituir o emplear mezclas con el diesel. Los resultados e influencia de la adición de alcohol a la gasolina y su efecto de sustitución, son objeto de discusión y, en algunos aspectos, existen criterios contradictorios . Estos resultados dependen de factores tan diversos como: composición de la mezcla, eficiencia del motor, calidad de gasolina, etc . Entre las ventajas del etanol se encuentra su efecto empobrecedor que permite la combustión de una mezcla con menos combustible y más aire, la combustión más limpia a más baja temperatura, y la elevación del octanaje, que puede aumentar en 3 - 4 puntos; por otra parte, su poder calorífico es sólo 67 del de la gasolina y su calor de vaporización es mayor. Para mezclas de 10 vio, se ha reportado que el efecto de sustitución de 1 1 de alcohol es de 0,8 1 de gasolina, que resultan de 0,67 1 por la relación de los calores de combustión y 0,13 1 ahorrados, por los efectos de empobrecimiento y aumento del octanaje . La sustitución puede llegar a ser de 1,36 1/1, si es posible aprovechar en las refinerías las características de las mezclas ; en este caso es posible producir gasolinas con un menor octanaje, lo que puede inducir ahorros en los insumos del orden de 0,36 1 de gasolina por 1 de alcohol en la mezcla. Es importante señalar que las políticas de sustitución de gasolina por alcohol pueden tener resultados negativos si no están acompañadas de un programa general de ahorro en las otras fracciones del petróleo no sustituibles por alcohol. De no ser así, para los esquemas convencionales de refinación, se pueden provocar excedentes de gasolina de bajo octanaje y de difícil comercialización.

Existe un gran número de materias primas que se pueden emplear para la producción de alcohol, entre las más importantes se pueden mencionar : maíz, sorgo sacarino, mendioca, boniato, babassu, miel, caña de azúcar, etc . La caña de azúcar es el cultivo que permite obtener los más altos rendimientos por unidad de área ; éstos pueden alcanzar cifras de 3 000 a 5 000 1/ha/a, fermentando guarapo . No obstante, el cultivo de la caña requiere de tierras de buena calidad y las inversiones industriales son relativamente importantes, factores negativos en cuanto a su selección para el proceso . El balance energético global de la producción de alcohol, es decir, la relación existente entre la energía total que se obtiene y la que se consume en su obtención, es otro criterio de significativa importancia . En estos balances se de ben tener en cuenta las etapas agrícolas, así como las industriales, y resulta de interés realizar el balance particular de combustibles líquidos que es, en definitiva, el problema a cuya solución está destinada la producción de alcohol . La alta eficiencia biosintética de la caña, capaz de aprovechar cerca de 4 % de la energía recibida del sol, permite que la relación energética de su cultivo alcance valores tan altos como 11/1, según cálculos en condiciones cubanas . Una ventaja adicional es la producción de un subproducto combustible, el bagazo, que puede ser el único combustible empleado en el proceso o aun permitir la entrega de cantidades sustanciales de energía marginal . Las consecuencias de estas características se pueden ver en la tabla 43 .

4.1.3 Materias primas y tecnologías Estos aspectos deberán ser tratados en detalle en el capítulo dedicado a la tecnología de producción de alcohol etílico, no obstante, la importancia que ambos factores, en especial la materia prima, tienen sobre la economía del proceso, la relación con el problema alimentario, los balances de energía y el impacto ecológico, determinan la necesidad de manejar algunas consideraciones en el contexto energético.

TABLA 43 Relación energía producida/energía insumida en la producción de alcohol Materia prima

Caña de Miel de azúcar caña

Relación

4,0-8,0

6,0-8,0

Maíz

Yuca

1,1-1,6

1,53,0

El balance de combustibles líquidos resulta aún más favorable, especialmente en el caso de la miel, utilizando excedentes de bagazo como combustible . En la producción de alcohol a partir de caña se pueden manejar diversas posibilidades, según el tipo de sustrato que se emplee y cómo se programe su utilización en el horizonte de tiempo de operación de la planta, así se pueden concebir la producción de azúcar y alcohol a partir de mieles, producir alcohol y miel invertida durante la época de mayor rendimiento y utilizar ésta en la época de menor rendimiento, fermentar guarapo todo el año, etc .

76

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

Los procesos de producción son convencionales, las tecnologías que utilizan miel son bien conocidas, de 1 t de caña se obtienen 30 - 40 kg de miel, con rendimientos de alcohol entre 32 - 34 1/100 kg de miel. Los requerimientos energéticos pueden ser de 30 - 40 kg de fuel para procesos muy ineficientes hasta llegar a ser totalmente cubiertos mediante la integración con una fábrica de azúcar con un esquema eficiente . La fermentación de guarapo más novedosa no ofrece grandes incógnitas y es similar a las mieles, en la que existe una etapa de extracción de jugo en molinos o difusores. Los rendimientos de alcohol son de 60 - 70 1/t de caña y es posible obtener excedentes de bagazo después de cubrir las demandas energéticas del proceso . La destilación para la producción de alcohol anhidro se realiza normalmente en un sistema de 3 columnas : agotamiento, rectificadora y deshidratadora . Esta operación consume cerca de 60 % de la energía total que se utiliza en el proceso y de ahí los esfuerzos en las tecnologías que permitan concentraciones más altas en el vino fermentado o disminuyan el consumo, tales como la fermentación y destilación al vacío, uso de recompresión de vapores, etc . Analizando las perspectivas, es importante señalar que la agricultura cañera aún dispone de un gran potencial de materias primas en la explotación de los desechos de la cosecha, que constituyen 25 - 30 % de la planta . El desarrollo de tecnologías viables para la hidrólisis de los materiales lignocelulósicos abriría la posibilidad del empleo de estos recursos para la producción de alcohol, con la ventaja de no representar un uso competitivo de la tierra. Estos desarrollos, no obstante, deberán esperar aún la próxima década. 4.1.4 Producción combinada de energía eléctrica y otras alternativas La producción de alcohol de caña, de acuerdo con los intereses y planes de desarrollo, se puede concebir según esquemas de alta eficiencia energética, orientados hacia la obtención de sobrante de bagazo o hacia la entrega de energía eléctrica marginal . El empleo que se le dé a los efluentes de la destilación de alcohol o vinazas, constituye una consideración importante en la optimización del esquema de proceso . Estos efluentes que se producen con una relación de 10 - 15 1/1 de alcohol, pueden ser empleados : con fines alimentarios, bien en forma directa o mediante su uso en el crecimiento de proteína unicelular, con fines energéticos, sometiéndose a un proceso de biometanación para la producción de biogás o concentrándolos y quemándolos en calderas al efecto.

Como una vía de ejemplarizar algunas de las alternativas existentes, se presentan 2 esquemas tipo para la producción de alcohol y proteína que se diferencian por el objeto y características del sistema energético. La figura 37 corresponde a un esquema de producción de alcohol de caña con vistas, fundamentalmente, a la obtención de bagazo sobrante, en éste se muelen 100 t de caña/h para producir alcohol y levadura. El esquema es de presión media de 41 kg/Cm2 y 400'C, con extracción a proceso a 7 kg/cm2 y contrapresión de 2,1 kg/Cm?. La cantidad total de caña procesada es de 60 000 t/a que pueden ocupar 8 600 ha (70 t/ha). El complejo produce unas 35 000 t/a de alcohol, unas 6 000 t/a de levadura, entregando, a la vez, algo más de 50 000 t de hagazo/a, con una potencia excedente de 1200 kW. Esto representa más de 30 ato del bagazo sobrante, después de satisfacer las demandas energéticas de los distintos procesos productivos y excedentes de 125 kW.h/t de caña molida. El esquema de la figura 38 está orientado a la producción de energía eléctrica marginal . En este caso se analiza una instalación donde se procesan 500 t/h de caña. La generación de vapor es ahora a 88 kg/cm2 y 450°C, en turbos de extracción-condensación . La planta moledora procesa 1200 t cada 24 h lo que corresponde a una demanda total de caña de 3 000 000 t que requieren unas 43 000 ha de tierra. El complejo produce 176 000 t/a de alcohol y 30 000 t de levadura. La planta eléctrica produce todo el vapor de proceso y la energía para el complejo, entregando, adicionalmente, 3 000 kW a la red eléctrica que equivalen a 9 t/h de petróleo . Estos índices de entrega de energía marginal de 60 kW.h/t de caña, pueden alcanzar valores superiores a 70 kW.h, en el caso que no se considere la producción de levadura. El propósito de estos ejemplos ha sido resaltar que la producción de alcohol, para aumentar su viabilidad, debe ser contemplada considerando la utilización integral de la caña; los objetos del complejo están supeditados a los intereses de cada país, si se cuenta con medios eficientes para el agotamiento y uso de sus agresivos residuales. 4.2 PRODUCCION DE BIOGAS 4.2 .1 Consideraciones generales La biometanación es conocida desde hace varias décadas y ha sido empleada como un método de tratamiento de desechos animales y aguas residuales. En la India se instalaron los primeros digestores a principios de siglo y, durante la Segunda Guerra Mundial, el biógás fue empleado en Alemania como combustible de tractores .

TABLA DE CONSUkm 100 t

CAÑA

DE VAPOR ( t1

Comamos

CALENT EXT. Y OTROS : DESTILACION

5,60

OTROS USOS FERM .

: 27,60 : 0,44

CONC . CREMA

:

1,94

SECADORES (7 atm)

:

3,96

TOTAL

: 39,54

CONSUMOS

ELECTINCOS (KW t )

EXTRACCION

:

1500

DESTILERIA

:

1600

:

4150

PRODUC .TORULA TOTAL PRODUCCIONES

'

1050

ADICIONALES t

BAGAZO

:

8,1

FUSEL

:

0,0071

coa

5,3

t

44POR GENERADO 44,20't " - PERDIDAS Y OTROS USOS 2,20 t (40 otté) 40 otm 400 OC 78 % EFIC .

PROCESO 35,58 t

4,04 t . (7 atm) L, PERDIDAS 0,08 1

A SECADORES 3,96 r

DEAREADOR 0,90 t

I PERDIDAS 1,5 1 E~A DE GENERA~

TORULA

IA t (92 %)

BALANCE DE §BAGAZO ( t ) BAGAZO PRODUCIDO :28,0 :19,2 BAGAZO REQUERIDO SALDO SOBRANTE : 8,8 (31 %) BALANCE ELECTRICO (KW.A) ENERGIA ELECT PRODUCDA :5400 ENERGIA ELECT PROCESO . :4150 SALDO A LA RED :1250

Fig. 37 Producción de alcohol y bagazo(balance de materiales y energía) .

TABLA DE CONSUMOS 500 t

CARA

CONSUMOS DE VAPOR ( t ) CALENT EXT Y OTROS DESTILACION

: 28,0 " 138,0

OTROS USOS FERAL CONC . CREMA

:

SECADORES (T otm) TOTAL

2,2 9,7

: 19,8 :197,7

CONSUMOS ELECTRICOS (KWhj EXTRACCION

--7500

DESTILERIA PRODUC . TORULA' TOTAL

:5300 20700

z7900

PRODUCCIONES ADICIONALES f t ) BAGAZO

:

0,0

FUSEL 0,04 26,4 COs

ESQUEMA DE 6ENERApON BALANCE DE BAGAZO ( t BAGAZO PRODUCIDO ~ZO REQUERIDO SALDO SOBRANTE

:140,0 '140,0 : 0,0

BALANCE ELECTRICO (KWb1 TO ROLA 4,8 1 (92 %c)

ENERGIA ELECT PRODUCIDA : 50700 ENERGA ELECT PROCESO = 20700 : 30 000 SALDO A LA RED

Fig. 38 Producción de alcohol y energía eléctrica (balance de materiales y energía).

79

LA CAÑA DE AZüCAR COMO FUENTE DE ENERGIA

En el- escenario energético actual la producción de biogás adquiere una nueva significación, como una de las fuentes renovables de energía que presenta las ventajas de contribuir a la conservación del medio o ambiente e ir acompañada por la producción de un residuo de utilidad como fertilizante. La biometanación es el proceso de fermentación anaeróbica de la materia orgánica, que consiste en la producción de un gas con un contenido de 55 - 70 vio de metano, el resto constituye, fundamentalmente, C02 . El gas se puede emplear, de, acuerdo con las instalaciones, para fines tales como iluminación, producción de vapor, energía eléctrica, para cocinar, acondicionamiento de aire, etc. Como se ha mencionado, uno de los grandes atractivos de la biometanación es que constituye un método de conservación del ambiente. Las industrias alimentarias, entre ellas la producción de azúcar, alcohol, levaduras, etc., presentan una situación comprometida en este sentido, pues se caracterizan por la utilización de grandes volúmenes de agua que después del proceso tienen una alta concentración de sustancias orgánicas que de ser vertidas a ríos, lagos y otras fuentes receptoras, provocan la disminución del oxígeno. La depuración de estas aguas por procesos aeróbicos tiene serios inconvenientes, en cuanto a las grandes cantidades de biofango que se producen y los altos consumos energéticos. Los tratamientos anaeróbicos, con la alternativa de producción de gas o la combinación de los 3 tipos de tratamiento, resultan, por tanto, alternativas de gran interés. También desde el punto de vista de la contaminación térmica por unidad de energía útil, ésta resulta más baja para el biogás que para los combustibles fósiles o nucleares. Por otra parte, su utilización no alterará el balance energético de la tierra ni interfiere con los balances de C02. El sector de la agroindustria de la caña de azúcar, incluyendo en éste las producciones de derivados, cuenta con numerosas fuentes de materias primas susceptibles de ser utilizadas en el proceso de biometanación; éstas se pueden dividir en 2 grandes grupos: 1 . Residuales líquidos : industria azucarera, alcohol, levadura forrajera, etc. 2. Residuales sólidos: paja, cogollo, bagazo, medula, cachaza, etc . Las ventajas y viabilidad de estas opciones son variables y las prioridades en su desarrollo y los métodos de empleo deberán ser esclarecidos en un futuro inmediato.

4.2.2 Características del gas y naturaleza del proceso La composición de biogás depende de las materias primas utilizadas, la etapa del proceso en que se obtiene, los digestores, etc., la composición normal de digestores anaeróbicos se puede tomar como: Metano

CH4

55 - 70

Dióxido de carbono

C02

30 - 40%

Hidrógeno

H2

Nitrógeno

N2

0,5 - 8

Monóxido de carbono

CO

Trazas

Ácido sulf hídrico

H2S

Trazas

1 - 10%

El valor calórico del biogás comparado con otros gases combustibles se puede ver en los datos que se dan a continuación : Combustible

Ull

Biogás

20,4 - 22,4

Metano

33,4 - 38,9

Propano

81,6 - 96,4

Butano

107,5 - 126,1

Gas de carbón

16,7 -

18,5

La producción del gas se realiza por la degradación de la materia prima, mediante un proceso que se efectúa en varias etapas sucesivas que se explicarán brevemente . En un principio, los microorganismos comienzan la hidrólisis enzimática de los compuestos orgánicos complejos presentes en el sustrato . De esta forma, las fibras orgánicas y otros polímeros se transforman en monómeros solubles que son utilizados en la siguiente etapa por las bacterias acidógenas. En la segunda etapa, los compuestos orgánicos solubles se convierten en ácidos orgánicos, en especial en ácido acético, que constituyen el sustrato fundamental para la descomposición final que llevan a cabo las basterias metanogénicas. En la última etapa ocurre la reducción final del material, produciéndose el gas y un residuo muy estable. Esta secuencia corresponde al proceso más general y la duración e importancia de los distin-

80

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

tos pasos estarán en dependencia de la composición inicial del sustrato. Las reacciones químicas que se llevan a cabo en el proceso descrito son las siguientes:

Ésta es la diferencia fundamental con el tratamiento aeróbico, donde la combustión biocatalítica del material, libera una gran cantidad de energía que posibilita la producción de una cantidad considerable de biofango de difícil tratamiento para su desecho al medio. 4.2.3 Materias primas y tecnologías

19 on O

h

ÓN

x

+

.~ + ao 0 O O 0

+

O ,_O U

dX

-°

O

T-"o x

m

-

Al tratar las consideraciones generales sobre la producción de biogás en el área de 'la agroindustria de la caña y sus derivados, se mencionan las diversas alternativas de materias disponibles . A causa del origen y naturaleza del proceso, los residuales líquidos han sido objeto del interés más inmediato . A continuación se ofrecen algunas de las características de los residuos y los resultados fundamentales que se pueden esperar del proceso : Sustancias residuales de la producción de azúcar

Flujo de residuales : , molida .

0,5 m3,/1000 kg

Concentración del residual: residual. Eficiencia del tratamiento : ción del DQO.

O

x

.12 á

5 kg

DQ0 1 /ma

85 - 90 %

Rendimiento del lodo: 0,1 kg/kg de vido.

J .,

Producción de metano : caña .

Aporte energético del gas : total.

o

.2

-oo

i

c~

x

Q

~

Ñ

á

a;

Los ácidos orgánicos que están constituidos por cadenas largas combinadas se degradan a ácido butírico o propiónico y, posteriormente, son convertidos en acético y metano. Las reacciones químicas son : 4CH3CH2000H + 2H20 C0 2 + 3CH4

-* 4 CH3000H +

4CH3000H ~-) 4CH4 +4CO2

En la degradación se produce un cambio pequeño en la energía libre, por lo que existe muy poca energía disponible que pueda ser utilizada para el crecimiento de los microorganismos .

de caña

de reduc-

DQO

remo-

0,70 Nm 3/1000 kg 1 - 2%

del

de

del consumo

Sustancias residuales de la producción de alcohol.

Flujo de residuales : 15 -

20 m3/m3

Concentración del residual: 60 kg residual . Eficiencia del tratamiento :

de alcohol. DQ0./m3

70 - 75 %

del

del

DQO.

Rendimiento del lodo: 0,1 kg/kg de vido.

DQO

Producción de metano:

de alcohol .

280 Nm3/m 3

remo-

'Demanda química de oxígeno. 2 Metros cúbicos de gas, medidos en condiciones normales de presión y temperatura; 1 atm y 0 °C.

81

LA CAÑA DE AZÚCAR COMO FUENTE DE ENERGIA

Aporte energético del gas : 60 - 70 % del consumo total.

TABLA 44 Composición química promedio de residuos sólidos

Sustancias residuales de la producción de levaduras

Flujo de materias residuales : 100 m3/1 000 kg de levadura. Concentración del material residual: DQO./m s . Eficiencia del tratamiento :

65 -

10 kg

70 % .

A

B

C

51,2

46,2

42,2

73,7

75,0

-

43,0

-

-

20,7

21,7

20,0

26,0

24,2

21,4

2,6

5,0

7,4

Alcohol benceno (%)

2,8

2,9

Solubilidad en Hz0 caliente (oio)

4,1

4,3

9,1

Solubilidad en H20 fría

2,3

4,0

6,6

Solubilidad en NaOH (oio)

34,9

36,1

48,0

A = Bagazo integral

B = Medula C = Paja de caña.

Celulosa

«-Celulosa Lignina

(ojo)

(oio)

Rendimiento del lodo: 0,1 kg/kg de DQO removido.

Pentosanas

Producción de metano : vadura .

Extractivos

220 Nm3/1 000 kg

Aporte energético del gas:

20 - 30

de le-

% del total.

El empleo de los residuos sólidos resulta una opción de interés que es objeto de estudio, ya que en este caso, el ataque enzimático de estos materiales resulta más difícil . En general, para los residuos sólidos la combustión directa u otros procesos termoquimicos como la gasificación o licuefacción pueden resultar más eficientes, desde el punto de vista energético . De acuerdo con las condiciones locales el empleo de mezclas de otros tipos de sustancias residuales puede resultar una buena solución y un auxiliar en el balance carbón-nitrógeno (C/N) de los sustratos . La composición química de algunos de los residuos se da en la tabla 44. La composición elemental del bagazo se puede tomar como C = 47,0 %; N = 6,5 ; 0 = 44 % ; ceniza 2,6 %. Para la producción de biogás a partir del bagazo se pueden esperar rendimientos de 100 - 200 Nm~/1 000 kg del residuo . El proceso de producción de biogás se realiza en digestores anaeróbicos, en los cuales la temperatura, el pH, la concentración del sustrato y la relación carbono-nitrógeno (C/N), son los parámetros fundamentales de operación. La eficiencia máxima del proceso se obtiene en el rango mesofílico 35 - 37°C, por debajo de 10°C y por encima de 50 °C, las bacterias anaeróbicas no continúan el proceso de descomposición . Las condiciones más favorables del pH se entornan en valores de 7 - 8, aunque en las etapas iniciales de la fermentación este parámetro sí puede descender a valores de 5 - 6. Los valores óptimos para la relación C,/N se encuentran en el rango de 25 - 30. Para las instalaciones de biogás resultan fundamentales el tamaño de los digestores, el diseño

(oio)

Hemicelulosa

(oio )

Cenizas (%)

-

de los contenedores de gas y el sistema de tuberías para su distribución . El diseño de los reactores varía con la escala y el tipo de aplicación, normalmente se emplean reactores batch de una sola etapa. Generalmente, en pequeña escala se construyen de materiales baratos y de diseño sencillo . También se han utilizado reactores semicontinuos, continuos, en 2 etapas y otros. De nuevo desarrollo es el llamado reactor Up Flow Blanket Reactor (UFBR) que está siendo objeto de considerable interés . La productividad de los equipos es, en gran medida, determinada . por los tiempos de retención hidráulica, que dependen, a su vez, de la carga orgánica, la recirculación o no del lodo y; por supuesto, del tipo de reactor. Las variaciones son notables y se encuentran en el rango de 1 - 30 d. 4.2 .4 Usos y aplicaciones

La producción de biogás presenta la característica de que, en general, el proceso constituye una etapa en el tratamiento de las sustancias residuales y las corrientes efluentes de los reactores, tanto sólidas cómo líquidas, deben tener un método posterior de tratamiento o disposición final.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

Un método convencional que ha sido utilizado, es la combinación con un tratamiento aeróbico como segunda etapa de la biometanación que permita la disposición de las aguas a las fuentes receptoras finales . Otra alternativa de interés, es el empleo del efluente de los reactivos en el riego de los cultivos . Los sólidos se han empleado como fertilizantes y, en algunos casos, esta alternativa puede aportar cerca de 50 % de los beneficios económicos del proceso . El valor fertilizante de los residuos sólidos del tratamiento de las sustancias residuales alcoholeras, se ha reportado como sigue en tantos por ciento en peso del material : N = 0,10; P = 0,012; K = 0,53. Todo parece indicar que existen ventajas en el empleo del lodo después de un proceso de secado al sol . Existen también sistemas más complejos donde, además de la producción de energía a partir de biogás y de la utilización de los fangos como fertilizantes', se emplean los efluentes líquidos en lagunas construidas al efecto, para la producción de ciertos tipos de algas, que, a su vez, sirven de alimento a peces que se reproducen, rápidamente, en estas lagunas . Para mejorar la calidad del gas y su aplicación, se han estudiado diversos métodos . El biogás se puede deshidratar pasándolo a través de glicoles, lo que requiere de una pequeña unidad de destilación para su generación o por otros sistemas . Otro objeto, la remoción del COO2, se puede realizar pasando el gas por lechada de cal con consumos del orden de 0,015 kg de cal/Nm3 del producto; no obstante, la utilización de todos estos métodos, en escala comercial, no parece aún económicamente aconsejable . Por otra parte, la combustión del gas requiere de generadores diseñados al efecto, ya que la velocidad a que avanza en una columna de gas es baja, comparada con la del gas natural y con la de otros combustibles . Esto implica que en instalaciones convencionales la llama tenderá a alejarse del quemador con el resultado de una combustión poco eficiente . No obstante, la combustión en cocinas u hornos con quemadores eficientes no presenta complejidad técnica alguna y se puede considerar una aplicación convencional . 4.3 PRODUCCION DE GAS POBRE Y OTRAS ALTERNATIVAS ENERGÉTICAS En los acápites anteriores se discutieron 2 procesos bioquímicos de aprovechamiento de las materias orgánicas, la producción de alcohol y la biometanación . Existe, además, otro grupo de tecnologías que también constituyen opciones para el aporte energético de los residuos de la agroindustria cañera . Dentro de estos procesos,

la combustión es el más convencional y el empleo, por esta vía, del bagazo o inclusive de residuos agrícolas que constituyen la fuente energética tradicional de la industria azucarera . No obstante, existen otras alternativas tales como la pirólisis, la gasificación y la licuefacción que pueden llegar a tener algún lugar en el panorama energético. La pirólisis es la conocida destilación destructiva del material orgánico, donde éste se descompone, térmicamente, para producir proporciones variables de gases y líquidos combustibles . La licuefacción se puede considerar una variante de la anterior, que se diseña para obtener una mayor cantidad de líquidos orgánicos con relación a los gases, algunos procesos utilizan la hidrogenación con solventes con y sin catalizador y en otros se produce, previamente, gas de síntesis (CO + HZ) que se convierte, catalíticamente, en metanol, gasolina u otros líquidos orgánicos . La gasificación, por su parte, consiste en la reacción del material orgánico con vapor, 02 o C02 calientes, para producir gases combustibles del material carbonizado, que a veces incluye una zona de pirólisis y de producción de carbón; el calor se genera por combustión parcial y se transfiere directamente de los gases a los residuos sólidos . Estos procesos, al igual que los bioquímicos, son conocidos desde el siglo pasado y han sido utilizados en épocas de crisis . Las tecnologías tradicionalmente empleadas se realizan, por lo general, a presión atmosférica, con un uso limitado de catalizadores, pero en la actualidad se encuentra en desarrollo un conjunto dé procesos termoquímicos, llamados de segunda generación, que pueden determinar cambios significativos en las tecnologías y resultados económicos de estos métodos . Las ventajas de estos procesos residen en la posibilidad de producir combustibles (gases o líquidos) susceptibles de ser almacenados y que pueden tener un uso más , iplio y flexible que el vapor o los gases de la combustión . Por otra parte, el carbón recuperado se puede emplear, a su vez, en la producción de carbón activado o gas de síntesis, de empleo en la industria química. Como ventajas adicionales se pueden mencionar, el menor volumen de gas que se produce y el hecho de que sus residuos resultan más aceptables para la disposición al medio. Si bien los procesos bioquímicos parecen ser la opción más inmediata y favorable para el aprovechamiento de los residuos líquidos, las tecnologías termoquímicas pueden resultar más ventajosas para la utilización de los residuos sólidos, en especial los residuos agrícolas de la cosecha de la caña. La economía de estos procesos, en su relación con los métodos de recolección de residuos, re-

83

LA CAÑA DE AZÚCAR COMO FUENTE DE ENERGIA

Vl

sulta, en muchos casos, cuestionable y aún queda por realizar un intenso trabajo de desarrollo, pero no es menos cierto que los procesos de gasificación constituyen ya una opción inmediata al aprovechamiento energético de muchos de los residuos lignocelulósicos.

o 2

4.3 .1 Estequiometría y características de los procesos termoquímicos

`~óo b

Los distintos procesos termoquímicos tienen algunas reacciones en común y las proporciones entre los diversos o componentes dependen, grandemente, de las condiciones del proceso. El conjunto de reacciones químicas que ocurren son las siguientes :

fA

+ Ó °' o .~

,

óqó z

W

G

á.

acu

4

cu

c

o 00

vCuÉQ

N

0

y 0 U T}

CU

O

Y

a

.i~

00

o

0 f+

0

0 U

O

TABLA 76 No azúcares en las mieles finales cubanas Componentes principales

".6

Cenizas

9,57

Coloides

8,06

Gomas

3,15

Acidez total

0,563

Cloruros

1,25

N2 total

0,506

Acido aconítico

4,00

Acido láctico

0,576

Sólidos en suspensión

8,80 v/v

Entre los no azúcares, en las mieles se encuentran los sólidos en suspensión, como se señala en la tabla 76. Sus valores oscilan entre 4 y 10 % v/v, hallados por centrifugación y que en los procesos fermentativos pueden ser eliminados por la clarificación de la miel. Las ceras que provienen de la materia prima y del proceso, no se eliminan durante la clarificación, hallándose también entre los no azúcares de las mieles finales . A continuación relacionamos el contenido de cera en tantos por ciento de grados Brix, encontrados en las mieles finales estudiadas :

F

v~v . Á ~'

` vE > 'ca " 0 0o

En la tabla 76 se muestra la composición de los no azúcares en las mieles finales cubanas .

p. bq

F

Ú 1

V,

0,1045

0,0683

0,1194

0,0818

0,0921

0,1240

0,0615

0,0928

0,1220

0,0933

0,0898

0,1040

2.2.1 Azúcares orgánicos 2.2.1.1 0

V N a co 0

m

00 U 0

NO AZOCARES NITROGENADOS

El total de sustancias nitrogenadas que contiene las mieles finales cubanas fluctúan entre 0,4 y 0,6 % y de éstas el nitrógeno asimilable es de 0,200 %, que representa 42 % del nitrógeno total. Del tanto por ciento de nitrógeno total se calcula la proteína bruta, multiplicando por 6,25 .

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

15 2 TABLA 77

Composici6n aproximada del N2 en las mieles finales cubanas 4b

N, total

0,506

N2 amoniacal

0,073

N, proteico

0,100-0,180

N, no proteico

0,150-0,330

Proteína bruta

3,16

Proteína

TABLA 78 Aminoácidos en las mieles cubanas (g/100 g miel)

4o

Tanto por ciento del to total de aminoácidos

Acido aspártico

0,4043

42,32

Acido glutámico

0,2740

28,68

Atanina

0,0778

8,14

Valina

0,0480

5,03

Glicina

0,0263

2,75

Serina

0,ó216

2,26

Leucina

0,0206

2,16

0,0197

2,06

Treonina

0,0174

1,82

Fenilalanina

0,0155

1,62

Tirosina

0,0106

1,12

Lisina

0,0058

0,61

Prolina

0,0050

0,52

Metionina

0,0050

0,53

Histidina

0,0036

0,38

Total aminoácidos

0,9552

100,00

La proteína digerible puede ser más o menos 50 % de la proteína bruta . Este dato tiene importancia en la miel que se destina para la alimentación animal (Tab . 77) . De los aminoácidos encontrados en las mieles finales cubanas y que se reflejan en la tabla 78, los más significativos son el aspártico, el glutámico, la alanina y la valina . Además, existen otras sustancias nitrogenadas como las purinas . El valor presente de los aminoácidos totales es de 0,955 % de miel final y aporta cerca de 21 del nitrógeno total. 2.2.1 .2

MATERIAS COLORANTES

Generalmente, son el resultado de la descomposición de la sacarosa y de las reacciones de los reductores con los aminoáci os. En estudios realizados por V. K. Potrojov y J. Bodanova, sobre materias colorantes, se plantea que durante los procesos de defecación, el jugo de la caña se somete a la acción de soluciones calientes de Ca(OH) 2 y Mg(OH) 2 y que en ese proceso tienen lugar 2 fenómenos : por un lado, se eliminan sustancias coloreadas y, por otro, se forman nuevas de esos complejos . Lo: productos coloreados, formados durante el proceso de clarificación del guarapo, se deben fundamentalmente, a la llamada descomposición alcalina" y representan de 70 - 80 % del peso de todos los productos coloreados de la miel. La formación de los productos, coloreados en el guarapo tiene como base fundamental los azúcares reductores . El aumento de la concentración de los azúcares reductores de 0,13 - 0,20 g/100 g de sacarosa hasta 0,24 - 0,38 g/100 g de sacarosa, provoca un aumento de color, en comparación con el color inicial, de cerca de 40 % . Las soluciones alcalinas y la temperatura pue den producir diversos compuestos orgánicos como : ácido acético, fórmico, láctico, dihidroxibutírico, metilglioxal y otros . Además, se pueden formar compuestos de color oscuro, tipo gomoso.. La acción primaria del álcali sobre los azúcares reductores transcurre a través de la formación de 1,2 ion-endiolato . Con la adición o cesión de protones . El efecto de la temperatura sobre la glucosa lleva a la formación de pequeñas cantidades de hidroximetil-furfural, el cual es causante del color marrón. De las mieles se han separado fracciones de sustancias coloreadas negras y amarillas. En la composición de la fracción negra se ha encontrado : glucosa, fructosa, aldehído, glicérido y la dioxiacetona, productos estos de la reacción reversible de la condensación aldólica. En cuanto a la fracción amarilla se compone de 46 % de

MIELES CUBANAS. CARACTERISTICAS PRINCIPALES

15 3

TABLA 79 Contenido promedio de vitaminas halladas en mieles finales de calla Vitamina B,

Vitamina B,

140 1,.g/100

700 u g/100

g

g

cenizas, 26 % de ácido lactónico y de un residuo de aminoácidos. Los caramelos surjen, como resultado de la descomposición térmica de la sacarosa . Las melonaidinas son productos de la reacción de los reductores y la cal, catolizada por la temperatura de cocción. El color de las mieles finales abarca desde el amarillo hasta el rojizo . Por diversos análisis se ha encontrado cierta relación del color de las mieles con el fenómeno de autodestrucción de algunas mieles durante su almacenamiento . Esto se tratará más profundamente en el capítulo de autodestrucción. Las vitaminas estables al calor y al medio alcalino pasan a formar parte de las mieles finales. Entre las vitaminas de mayor importancia, por su influencia en diversos procesos, citaremos la biotina, de suma importancia en los procesos fermentativos, al igual que la niacina, la riboflavina y el ácido pantoténico, éste en menores cantidades que en las mieles de remolacha. Las vitaminas presentes en la miel cobran mayor significación en la alimentación animal . El contenido de biotina en las mieles finales de Cuba es considerable si se le compara con la miel de remolacha. TABLA 80 Contenido de biotina en mieles cubanas y otras mieles, expresado en t,g/100 g

Ácido pantoténico 5000-12000

lAg/100

Biotina 220 ~g/l00

g

TABLA 81 Cantidades de sustancias de crecimiento necesarias para un rendimiento máximo de levadura

Constituyentes

en

cubanas Mieles alemanas Mieles de Suecia

Cantidades necesarias t,g/IOOg miel

Biotina

29

Acido pantoténico Inositol

Contenidas en miel de Cuba 270-320

5 000

5000

120 000

600000

2.2 .2 No azúcares orgánicos sin nitrógeno Entre éstos se encuentran los ácidos orgánicos, ciertos tipos de gomas, y otros. Entre los ácidos orgánicos más importantes presentes en las mieles, se encuentran : aconítico, láctico, cítrico y los volátiles : fórmico, acético, butírico, propiónico y valérico . También tienen importancia los grasos, cuya composición exponemos en la tabla 82 . Los ácidos volátiles, en las mieles cubanas, alcanzan cerca de 70 % de la acidez total . Son sustancias que por resultar perjudiciales para TABLA 82

Mieles de remolacha Mieles

g

Principales no azúcares sin nitrógeno hallados en la miel 46

1

220

7,5

4,3

2

230

10,5

3,2

Gomas

1-3,1

3

260

7,5

4,5

Acido aconítico

1-6

4

250

2,8

3,2

Acido láctico

0,5-0,58

5

150

1,5

3,6

Acido fórmico

0,3-0,5

6

270

8,5

4,0

Acido acético

-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZúCAR

154

los procesos fermentativos hay que vigilarlas estrechamente . El tanto por ciento de ácidos volátiles se puede disminuir con procedimiento adecuado de bajo pH y temperatura, principalmente los ácidos fór micos, acético y butírico (Tabs. 83 y 84) .

TABLA 85 Contenido de coloides en las mieles cubanas

TABLA 83 Composición de los ácidos volátiles Acido acético Acido propiónico Acido isobutirico Acido butírico

TABLA 84 Ácidos grasos hallados en las mieles finales cubanas ácido láurico Acido mirtstico Acido palmítico Ácido esteárico Ácido oleico ácido linoleico Ácido linolénico Los no azúcares orgánicos, que no contienen nitrógeno, aumentan durante la producción de azúcar crudo, principalmente por la descomposición de la sacarosa. Los coloides son sistemas dispersos, cuyo grado de dispersión varía de 0,1 a 0,001 um. Los coloides de las mieles están formados por materiales sólidos filtrables, tierra y materiales en suspensión y dispersiones moleculares . En su mayor parte, son compuestos de adsorción, formados entre materiales similares a las pectinas y el azúcar, sustancias gomosas y nocivas . En todos los productos de la industria azucarera están presentes los sistemas coloidales (Tab. 85) . En los procesos fermentativos el contenido de coloides tiene una influencia negativa . Según observamos en la tabla 85, el contenido de coloides en las mieles finales sigue una tendencia a disminuir, en 1979 y 1980 . 2.2.3 No azáeares inorgánicos Los no azúcares inorgánicos forman parte de la composición de las cenizas que en las mieles

1966

7,52

1967

6,57

1968

7,92

1969

0,20

1972

9,94

1973

8,86

1974

7,54

1975

6,08

1976

-

1977

-

1978

9,10

1979

9,62

1980

625

finales cubanas promedian 9,57 % . De las cenizas totales, 67 "io son solubles y 33 % insolubles en agua caliente. Entre las cenizas solubles se encuentran los carbonatos, cloruros y sulfatos de los metales alcalinos y la parte insoluble es, principalmente, sales de Ca. Los no azúcares inorgánicos están formandos, generalmente, por sales. TABLA 86 Elementoa presentes en la miel final cubana Elementos

Miel (%) Elementos

Miel (%)

K

2,54

P205

0,123

S03

1,43

Si

0,180

Cl

1,25

Mn

0,007

Ca

1,23

Fe

0,017

Mg

0,50

Cu

0,0016

Na

0,18

Al

0,008

Trazas. Además se hallan trazas en las mieles de los siguientes elementos : Pb, Ni, Mo, Va, Ag, Ti, Co, Cr, Ba, Zn, Si y Sn.

MIELES CUBANAS . CARACTERISTICAS PRINCIPALES

15 5

TABLA 87

TABLA 88

Valores límites Mínimos

Composición promedio Mínimos Máximos

Mdximos

Cenizas

(4B)

K

0,90

4,46

Ca

0,440

1,520

Ks0

55-63,69

Si0

2,0 -5,00

Na

0,060

0,399

M9

0,260

0,796

S03

12-14,95

P205

0,9 -1,26

Fe

0,006

0A31

SO,

1,31

2,77

Ca0

10 .13,10

A1203

0,1 -0,40

Mn

0,0012

0,047

P205

0,040

0,320

Cl

10-12,00

Fe20,

0,20-0,60

Cu

0,0007

0,0030

0,050

0,300

MgO

5 - 8,62

MnO2

0,10-0,360

Na20

4- 5,08

Cu0

0,010-0,025

si

Estos aumentan la solubilidad de la sacarosa durante el proceso de producción de azúcar, de donde provienen, y tienen importancia por sus características melasigénicas (Tabs. 86, 87 y 88) . Tienen, además, influencia en los procesos fermentativos y en la alimentación animal. Por ejemplo, el Na y el K, durante el almacenamiento de las mieles finales pueden producir sales solubles no precipitables, y cuando se usan en alimentación animal pueden ser nocivos para su digestibilidad . En los procesos fermentativos, el K es indispensable para el crecimiento de la levadura en cantidades apreciables . En exceso puede ejercer fina acción desfavorable . El Ca influye, positivamente, en el proceso de floculación. El Mg es un activador principal de la carboxilasa que cataliza el desdoblamiento del ácido pirúvico a acetaldehído y C02. Tiene, además, una acción directa en la formación de las proteínas. El P y el S representan las partes principales de muchas proteínas. El P es imprescindible en todo proceso fermentativo. El Fe, Zn, Cu,

son necesarios para el mejor desarrollo de la levadura . Se necesitan 0,075 mg de Fe, 0,02 mg de Zn y 0,015 mg de Cu por litro, de medio, para un normal crecimiento de la levadura. Hay elementos como el Co y el Mn que ejercen una influencia positiva en muchos procesos biológicos . Por todo esto, el conocimiento de ellos en la miel final es imprescindible para su completa caracterización . Llamamos capacidad tope (buffer) a la cualidad de las mieles finales dé ejercer resistencia amortiguadora a los cambios de pH en ciertas zonas de acidez. Se expresa como los mililitros de NaOH 1 N necesarios para cambiar el pH de 100 g de miel original, diluida 1 :5 de pH 3 a pH 7 . Los no azúcares de las mieles contienen las materias estabilizadoras . Su influencia es directamente proporcional. Intervienen en la formación de las materias amortiguadoras, los ácidos

TABLA 89 Valores de capacidad tope promedio por años Año

Capacidad

tope

Año

Capacidad

1966

49,19

1975

67,84

1%7

54,69

1976

69,49

1%8

44,06

1977

69,33

1964

62,96

1978

75,60

1972

57,44

1979

85,60

1973

66,48

1980

76,76

1974

608

tope

156

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR TABLA 90

Valores de capacidad tope, sólidos no azúcares Sólidas no

(%)

azúcares

y

PROs PROs

total total

Año

Capacidad tope

1966

49,19

24,59

0,140

1967

54,69

21,42

0,104

1968

44,06

24,10

0,106

1969

62,96

24,07

0,100

1972

57,44

25,52

0,121

1973

66,48

25,37

0,102

1974

64,68

27,38

0,106

1975

67,84

28,57

0,116

1976

69,49

26 .29

0,163

1977

69,33

28,42

0,128

1978

75,60

27,30

0,080

1979

85,60

28,34

0,174

1980

76,76

27,30

0,160

orgánicos y las bases débiles y sus sales, entre ellos están el ácido carboxílico débil y los aminoácidos que ejercen su efecto estabilizador en la región ácida, principalmente en el rango de pH entre 3 y 5 . Los fosfatos presente§ en las mieles acentúan la acción estabilizadora entre pH 6 y pH 7. El poder estabilizador o capacidad tope (buffer) de la miel tiene marcado interés en los procesos fermentativos de producción de etanol y levadura . 2.3 ESTUDIO DE ALGUNAS TENDENCIAS DE LOS COMPONENTES PRESENTES EN LA MIEL DE CARA CUBANA En las figuras 72 y 73 se muestra la relación existente entre el Pe os y el N 2 asimilable con el P205 y N 2 total. En las mieles finales cubanas el P y el N asimilable del total se encuentran en un rango promedio de 40 - 50 %, para el N y 60 - 70 %, para el P. La figura 74 muestra, la tendencia de los azúcares reductores totales y el N total en las mieles en los períodos estudiados en Cuba. El descenso de los azúcares reductores totales en estos períodos queda explicado por la disminución paulatina, en las zafras cubanas, de moler cañas atrasadas, así como un aumento progresivo de

(46)

la eficiencia industrial, al mismo tiempo, el aumento de N2 en algunos períodos, se explica por el grado de fertilización aplicado en las diferentes etapas. Observando la figura 75 vemos cómo son coincidentes las tendencias de aumento de la capacidad tope (buffer) y los sólidos no azúcares en la miel . En la figura 76 vemos la influencia de la dilución en la capacidad tope (buffer), ésta disminuye, ostensiblemente, con la dilución. Se han estudiado otras tendencias que tienen importancia desde el punto de vista fermentativo de las mieles, las cuales no se recogen en este artículo por problemas de limitación en el volumen del libro . 2.4 COMPARACIÓN DE ALGUNOS COMPONENTES QUIMICOS DE LAS MIELES DE CARA CUBANA Y MIELES DE REMOLACHA Al comparar la composición media de las mieles finales cubanas con las de remolacha (Tablas 91 a 94), podemos observar que existen diferencias significativas en los tantos por ciento de sacarosa, glucosa y fructosa, con las de remolacha. Se puede apreciar que dentro de la composición de las cenizas los tantos por ciento de

x

86

% P2 05 EN MIEL 0,18o

0,16oi

0,140-

70

0, 120

65

0,100"

. 60 P2 0 5 TOTAL

0,0801

x

F55

o P2 0 5 ASIMILABLE/ TOTAL

1965

66

67

88

69

, 72

73

74

75

77

76

78

79

1980 Amos

Fig. 72 Tanto por ciento de P,O, asimilable del P205 total.

N2 TOTAL

x

% A/T 60

0.6

0,5

r40 LEYENDA 0,31

30

a NITROGENO TOTAL tL2ASIMILABLE/N2 TOTAL c

x

0,21

20

0,11

10

1955

88

67

6B

69

72

73

74

FiW 73 Nitrógeno total (St).

75

76

77

78

7,9 1980 AMOS

KMIOO N

00

U O W C ftl C Q CI N Q

0,300

0,200

1985

88

87

88

89

72

73

74

75

76

77

78

79 1980

Fig. 74 Comdortamiento del N, y art. en las mieles de las zafras 1965 .1980.

AÑOS

x 30

N 2

70-

26

G

24

501

22

40

20

1966

67

es

89

72

73

74

75

76

77

70

79

1880 AÑOS

20

ml IN No 011

Fig . 75 Capacidad tope y solución no azúcares .

ON W

Iq0~

M(INN)

lo

14

12 14 16 18 2 4 6 8 10 6 4 2 0 12 10 8 Fig. 76 Influencia de la disolución en la capacidad tope de la miel.

TABLA 91

TABLA 92

Composición media de las mieles de casa cubana y mieles de remolacha

Composición del N, en mieles finales de caiías cubanas y mieles de remolacha

Miel de caña Miel de remolacha

Componentes

("/0) Agua

15,96

16,50

Constituyentes orgdnicos Sacarosa

35,53

Glucosa

9,90

Fructosa

10,04

Rafinosa Manosa No azúcares, componentes nitrogenados, ácidos libres y combinados, sustancias gomosas

51,00 1,00 1,00

0,50

Caña (%)

Remolacha (vio)

Nitrógeno total

0,300 - 0,600

1,2-2,2

Nitrógeno amoniacal

0,730

0,020

Nitrógeno proteico

0,1

Nitrógeno no proteico

0,150-0,330

Nitrógeno

0,100 0,160

TABLA 93 Composición de aminoácidos en mieles de caña y mieles de remolacha Aminoácidos

Caña (%b)

Remolacha (%)

Acido glutamínico

0,0060

4,1700

Leucina-isoleucina

0,0420

0,5500

Acido aspártico

0,5362

0,3700

Glicocola

0,0290

0,3000

Valina

0,0510

0,3000

-

0,3000

Alanina

0,0880

0,2800

Tirosina

0,0095

0,2100

Prolina

0,0050

0,1100

Fenilalanina

0,0018

0,0900

-

0,0500

Arginina

0,0033

0,0300

3,15

Serina

0,0221

0,0500

5,68

19,00

Cenizas

9,57

11,50

K,0

2,71

3,90

Ca0

1,41

0,26

MgO

0,82

0,16

P,0 3

0,12

0,06

Na,O

0,09

1,13

Fe,O,

0,02

0,02

Sio,

1,00

0,10

A1s03

0,03

0,07

Compuestos inorgánicos

Residuos de sosa y CO,

- 0,18

Acido aminobutírico

Cistina

Residuos de S03

1,40

0,55

Lisina

0,0790

0,0300

Cloruros

1,25

1,60

Histidina

0,0041

0,0300

MIELES CUBANAS . CARACTERISTICAS PRINCIPALES TABLA 94

Contenido de vitaminas en mieles finales de caña cubana. Su comparación con mieles finales de remolacha Vitaminas

Vitamina B, Vitamina B2 Acido pantoténico Biotina

Mieles de carta ggjl00g

Mieles de remolacha

140,00

130,00

700,00

41,00

5000 .1200

130,00

180- 230

5,30

Ca0 y Mg0 en las mieles son mayores, lo mismo ocurre con el P205 y SiOn. Con relación a las vitaminas, el contenido de éstas en las mieles es mucho mayor. Los aminoácidos se reportan en las mieles de remolacha, en tantos por ciento de aminoácidos en melazas hidrolizadas . Las mieles de caña cubana se reportan en gramos de aminoácidos/100 g de miel. 3 Características fisicoquímicas de las mieles finales cubanas El conocimiento de las propiedades fisicoquímicas de las mieles, tiene una gran importancia desde el punto de vista de su calidad y de su comportamiento industrial, principalmente en el transporte, almacenamiento y bombeo. Los estudios realizados en el ICIDCA y en otras instituciones cubanas han permitido obtener resultados de estas propiedades .

K = Constante, que para un líquido newto-

niano es la viscosidad.

n

= Constante adimensional que para líquidos newtonianos es la unidad .

El término viscosidad alude a la resistencia ofrecida por un líquido en movimiento o cuando un cuerpo sólido se mueve dentro del líquido . La unidad de viscosidad es el poise (P) o el centipoise (eP) (1 P = 100 cP). El poise se define como la viscosidad que requiere una fuerza de 1 dy para determinar un desplazamiento relativo a la velocidad de 1 cm/s, de las superficies líquidas, cada una de 1 cm2, separadas unas de otras por 1 cm de líquido . Esta definición corresponde a la viscosidad absoluta. En los fluidos no newtonianos, se da el nombre 'de viscosidad aparente a una velocidad de deformación dada, a la relación entre la fuerza de zizallamiento y la velocidad de deformación . 3.2 VISCOSIDAD APARENTE DE LAS MIELES FINALES T,

VA =

X 100 cP

Dr

(2)

De (1) y (2) tenemos : VA = K Dr("-1l La figura 77 muestra los resultados de las curvas de flujo de las mieles finales, utilizando

3 .1 PROPIEDADES REOLOGICAS Desde el punto de vista reológico las mieles finales se pueden considerar como un fluido no newtoniano y ligeramente pseudoplástico, ya que al aumentar la velocidad de deformación, disminuye la viscosidad aparente . Como fluido pseudoplástico cumple la ley de potencias o de Ostwald de Walle: Tr = K (Dr)

(1)

Donde : Tr = Fuerza de zizallamiento

(dy/cnr2) .

Dr = Velocidad de deformación (S- ') .

Or 2e

50

75

100

125

5-1

Fig. 77 Curvas de flujo de las mieles finales cubanas, a diferentes temperaturas.

162

LA INDUSTRIA DE I.OS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 95 Resumen de viscosidades desde 1972-1979 [Valores de K (poises)]

Años

Min.

30'C

Med.

Mdx.

Temperaturas 50'C Mfn. Med. Mdx.

70'C

Mfn.

Med.

Mdx.

1972

190,0

681

2500

31,5

130

290

9,0

32,8

100

1973

44,0

516

1036

9,0

98

283

2,0

30,9

75

1974

205,0

367

2200

25,0

1,16

320

4,0

37,9

100

1975

27,0

1053

1800

6,7

171

350

2,0

47,9

110

1976

17,0

468

1 472

9,0

92

308

1,3

29,5

137

1977

22,5

625

1836

6,0

85

289

2,4

30,0

90

1978

-

740

-

150

-

-

60,0

0

1979

12,65

220

1627

42

257

1,3

17,0

69

3,4

TABLA % Comportamiento de la viscosidad de la miel final para distintas adiciones de dextrana en relación con 5 % Viscosidades Muestras Series

Blanco

2 (CP)

3 (CP)

4 (CP)

5 (CP)

6 (CP)

7 (CP)

545

495

528

528

528

561

495

528

578

628

628

629

3

528

661

595

677

611

4

528

528

545

561

5

512

521

512

6

462

495

7

462

8

(CP)

1 (CP)

1

429

2

(CP)

(CP)

9

10 (CP)

561

628

644

661

710

694

727

727

809

661

661

694

7l0

7l0

776

611

628

545

595

595

6l1

628

545

595

578

578

;94

661

694

694

561

561

595

595

628

694

6l1

694

710

495

528

578

578

595

578

66l

760

694.

793

495

528

595

545

545

595

644

661

793

694

793

9

462

495

528

512

545

561

595

611

611

578

661

l0

462

512

512

545

545

561

611

595

6l1

661

594

484

530

545

568

578

598

611

646

671

671

722

Promedio

viscosimetro rotacional a diferentes temperaturas . Se observa que todas las curvas parten del origen, lo que indica que las mieles no presentan propiedades plásticas. Al mismo tiempo se observa que las curvas tienden a seguir una relación lineal ; pero si miramos detenidamente veremos que para valores de

8

pequeños gradientes de velocidad, existe una tendencia no lineal, lo que demuestra su comportamiento no newtoniano . Así mismo se nota que el fluido es ligeramente pseudoplástico . En la tabla 95 se expone un resumen de la viscosidad de la miel en el periodo 1972-1979 a 30, 50 y 70 `C de tempieratura.

MIELES CUBANAS . CARACTERISTICAS PRINCIPALES

En la tabla 96 se puede apreciar la variación de la viscosidad con la temperatura . 3.2.1 Otros factores que influyen en la viscosidad de las mieles

32.1 .1

INFLUENCIA DE LOS NO AZUCARES SOBRE LA VISCOSIDAD

En la literatura no existe mucha información sobre la influencia de los no azúcares en la vis-

163

cocidad . Algunos no azúcares, aun en pequeñas concentraciones, influyen, notablemente, en la viscosidad de las mieles . Por ejemplo, las sales de calcio y los coloides, la aumentan y las sales de sodio y potasio; la disminuyen. En la figura 78 se observa una tendencia a disminuir la viscosidad cuando aumenta la cantidad de no azúcares .

0

a c V N_ >

O a O 41 O V N

56

58

80

62

Fig. 78 No armares, grado Brix.

64

% NO

AZUCARES

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCA11

164

50 'C 80 °Bx

50 'C 80 °ex

l0-

.

10 . N

a

W lo

O 50 'C 75 °Bx

vy

S

10

.

10 Fig. 79 3.2 .1 .2

N

.

14 16 16 12 AZUCARES COLOIDES 16 NO

Viscosidad en poises (St).

DEPENDENCIA DE LA VISCOSIDAD CON LOS COLOIDES

Al observar los resultados expuestos en la figura 79 se ve la influencia de los coloides. Cuando éstos aumentan, aumenta la viscosidad . 3.2.1 .3

INFLUENCIA DE LAS GOMAS EN LA VISCOSIDAD

50 *C 75 °Bx

10-

' .

14 l6 IB 20 CENIZA N, NO AZUCARES

Viscocidad en poises (St).

Fig. 80

3.3 DENSIDAD Entre las propiedades fisicoquímicas de las mieles, está la determinación de la densidad. En la tabla 97 se observa que la densidad mínima hallada fue de 1,288 y la máxima de 1,536 .

Se ha comprobado, que la acumulación de goTABLA 9,7 mas en las mieles (1,2 % en las mieles cuba nas), es responsable del fenómeno de glutinosiValores mínimos, medios y máximos de la densidad en las mieles finales desde 1975-1979 dad y de la elación ocasional de éstos durante su transportación, lo que causa serios problemas de manipulación . Además, puede reducir la caligAños Mínimos Medios Máximos para la producción de alcohol . dad de las mieles Si obervamos la figura 80, se nota una tendencia de aumento de viscosidad, cuando 1,288 1,385 1,436 1975 aumentan las cenizas, sin embargo, la afectación 1976 1,297 1,414 1,515 puede estar relacionada con la mayor concenque la matración de sólidos totales. A causa de 1,4 9 1,536 1977 1,348 yoría de las sales inorgánicas aumentan la solubilidad de la sacarosa y los azúcares reduc1978 1,328 1,110 1,441 tores la disminuyen, se ha encontrado una in1,416 1,468 1979 1,355 terrelación entre la viscosidad de las mieles y la . razón reductores/cenizas

°'f/L T*mA 25 OC 1,47 1,46 1,451,44

W.

1,41' 1,40 1 ;39 77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

'8x

Fig. 81 Relaeidn entre el prado Brix y la densidad,

é 9/m1

1,430

1,420

1,410!

1,400 1975

78

77

78

1979

AÑOS

. Fig. 92 Comportamiento de las densidades en los Mas estudiados (Tab. e11

166

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

Los valores promedios oscilan entre 1,385 - 1,419 y en la figura 81 podemos ver la relación lineal entre el grado Brix y la densidad de las mieles finales. Podemos concluir señalando, que los valores hallados de densidad entre 1,28 y 1,30, representan 13 % ; los valores máximos entre 1,436 y 1,515 son 10 vio, de los valores y las densidades entre 1,385 y 1,419 alcanzan 77 9b, de los valores totales .

3 .4 TENSION SUPERFICIAL La tensión superficial en las mieles finales cubanas interesa para la calificación de sus cualidades fermentativas, por tener éstas características coloidales. En la tabla 98 y en las figuras 83 y 84 se reco . gen los resultados de este estudio. La tabla 98 nos muestra los resultados de la tensión superficial en soluciones de mieles.

TABLA 98

Tensión superficial de las mieles cubanas Muestras

Tenel sión superficial (usando método de la gota col'Briz gante) 30 'C dy/cm'

1

59,0

58,3

2

54,7

49,6

3

58,2

53,1

4

60,4

54,1

5

59,6

50,1

6

59,4

51,1

7

58,2

53,9

8

61P

55,0

9

56,2

50's

10

58,0

53,0

11

59,6

48,4

12

59,2

53,0

13

59,4

52,4

14

59,6

50,6

15

59,9

50,2

16

50,2

55,9

17

58,2

54,0

18

59,0

50,6

19

56,6

50,5

20

60,4

51,1

21

60,4

51,0

22

60,8

52,1

23

60,8

56,4

-- - 65 *Bx

dy cm 55-

-_ 33.4 "Bx -- 20 °Bx 6 'Bx

50~

45-

40

900

1 800

2 700

T-t

3 600

Fig. 83 Variación de la tensión superficial con el tiempo.

_dy em

8a

70-

50"

40

50

100

"Bx

Fig. 84 Variación de la tensión superficial en el grado Briz (tiempo 30 min) .

En las figuras 83 y 84 se ofrecen datos del estudio de la variación de la tensión superficial con el tiempo . Esta variación puede tener como causa la migración de uno o más componentes hacia la interfase y está bajo observación . 3.5 CALORES ESPECIFICO Y DE COMBUSTION 3.5.1 Calor específico El calor específico, depende de la temperatura que prevalezca . En las soluciones nzucara-

das depende de la temperatura, la concentración y la pureza. Aumenta al elevarse la temperatura y disminuye al aumentar la concentración en soluciones empíricas de azúcar . En igualdad de temperatura, 'el calor específico de las mieles es menor que el de soluciones de azúcar puro. A concentraciones y temperaturas constantes el calor específico, baja al disminuir la pureza. Igualmente, el calor específico es de mucha importancia en la fermentación para producción de masa biológica .

168

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR TABLA 99 Valores mínimos, medios y máximos Mínimos

Entre

Medios

Máximos

0,370-0,385 0,508-0,517 0,625-0,884

es que éstas se utilizan como sustrato combustible en procesos biológicos . El conocimiento de su calor de combustión permite establecer un balance energético y determinar la eficiencia de utilización del sustrato. El calor de combustión en las mieles finales, en la alimentación animal, sirve de base para la determinación de la energía digestible y metabolizable . 3.6 EFECTOS DE LA ESTERILIZACION SOBRE LAS MIELES FINALES

TABLA 100 Influencia de la concentración en el calor específico Brix

Calor específico

'Brix

Calor específico

10A

0,94

50,2

0,67

22,1

0,85

60,8

0,60

30b

0,80

60,4

0,54

39,7

0,73

4 Microflora de las mieles fínales cubanas

3.5.2 Calor de combustión Sus valores se dan en calorías por gramo de miel física . Su importancia en las mieles finales, TABLA 101 Valores mínimos, medios y máximos del calor de combustión en las mieles finales cubanas (cal/g) Mínimos

Medios

2601

3 474

3633

2994

3520

3908

Durante la esterilización de las mieles con el objeto de disminuir su tenor microbiano, se efectúan cambios que son interesantes en los procesos fermentativos, como la disminución del pH a causa, principalmente, de la formación de ácidos por la descomposición de la sacarosa por la temperatura (Tab . 102) .

Máximos

Un aspecto importante de la calidad de las mieles finales cubanas, es su contenido microbiano. Los microorganismos presentes en las mieles finales provienen de la recolección de la caña, de las infecciones producidas durante el proceso de fabricación en los centrales y del ambiente ; éstos han resistido las temperaturas del proceso o se han incorporado a las mieles durante su almacenamiento . En la composición de los jugos existe una variada microflora, como se expone en la tabla 103 ; parte de esos microorganismos resisten las condiciones del proceso de fabricación y pasan, en distintas formas, a las mieles finales . Los estudios microbiológicos realizados en el ICIDCA arrojaron la microflora, en las mieles finales, que se muestra en las tablas 103 y 104 . Al estudiar los resultados de la tabla 104 nodemos observar que el contenido microbiano, por gramo de miel, oscila ent=e 150 y 17 000,

TABLA 102 Efectos de la esterilización sobre las mieles finales

Tiempo de esterilización

Acidez total (como ácido acético (g/1) Muestras

1

2

3

4

5,9

5,8

6,0

5,8

h 1 atm

5,5

5,5

5,3

h más

5,3

5,2

h más

5,2

5,05

0

pH

1

Reductores (g/1) 2

3

4

1

2

3

4

0,336 0,368 0,256 0,300

20,2

19,2

19,9

19,6

5,4

0,480 0,497 0,403 0,435

19,2

18,6

18,8

179

5,2

5,3

0,520 0,520 0,461 0,466

18,9

17,9

18,2

17,5

5,05

5,15

0,709 0,785 0,475 0,545

18,7

17,3

17,7

17,3

TABLA 103 Microorganismos aislados en las mieles cubanas Levaduras

Bacterias Bacillus subtilis (Ehienberg) Cohn .

Schizosaccharomyces pombe Lindner

Bacillus licheniformis (Weigmann) Chester.

Schizosaccharomyces octosporus

Bacillus brevis Migula

Sacch. rouxii Boutroux

Bacillus cereus Frankland y Frankland

Sach. mellis (Fabian et Oulnct) Lodder et Kreiger van Rij.

Bacillus megaterium de Bary.

Rhodotorula mucilaginosa (JBrgensen) Harrison

Bacillus pumilus Meyer y Gottheil

Candida tropicatis

Brevibacterium imperiale (Steinhaus) Breed.

Deb. sp.

Hallados esporádicamente Micrococcus varians Migula Micrococcus tutens (Schroeter) Cohn . Micrococcus caseolyticus Evans. Micrococcus candidus Cohn . Sarcina hansenii (Miquel) Breed. Sarcina (lava de Bary. Microbacterium tacticum Orla-Jensen

(Cast.) Berkhout

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZüCAR

170 TABLA 104

TABLA 105

Rangos anuales del tenor microbiano de las mieles tinales cubanas (m.o. por gramos de miel)

Rangos de diferencias hallados durante el almacenamiento

Arto

Mesófilos totales

Termófilos totales

°Brix

±1,20

pH

-0,17-0,7

1965

3,0 x 101 - 2,6 x 103

3,0 x 102 -1,7 x 103

R.L.

-1,8

1966

3,0 x 102 -3,6 x 103

3,0 x 10 3 -2,3 x

103

R.T.

-2,50 -3,2

1967

3,0 x 102-7,2 x

3,7 x 10'-2,3 x

103

Sac .

-0,65- 1,33

1968

3,0 x IT - 3,7 x 103

3,0 x 102 - 2,7 x 103

R, inf .

-0,41 -0,50

1969

3,0 x 102 -5,0 x 103

Acidez total

-0,143 - 0,57

1972

1,5 x W-1,7 x

103

3,0 x 103 - 4,6 x103 1,1 x 102 .1 ,9 x 103

A.V.

-0,040 + 0,299

1973

1,3 x 10%-7,3 x

103

1,8 x 102 -2,7 x 103

N2 total

-0,062 - 0,131

1974

1,5 x 103 -4,6 x los

1,1 x 102 -4,3 x 103

N, asim.

-0,039 - 0,050

1975

2,2 x 103 - 8,3 x 103

1,5 x 102 J2,2 x 103

A/T

1976

1,7 x 103 -2,4 x

103

1,6 x 102 - 5,6 x 103

1977

1,2 x 102 -1,3 x

103

15 x103 -4,5x10 3

1978

3,6 x 103 -1,5 x 103

103

-1,1

-6,8

P,O, T.

-0,005 -0,006

P^ A.

0,004 - 0,012

1,6 x 102 -3,4 x 103

% A/T

OR

PROMEDIO 2,3 x 102 -3,4 x 103

2,1 x 103 -3,4 x 103

Coloides

-4,65

1979

1,6 x 103 -1,4 x 103

1,0 x 102 -5,0 x 103

C. tope

+2,52 + 15,3

1980

l ~S x 102 -1,0 x lo,

1,5 x

Cenizas

-0,94 - 1,01

Rend. indust.

+0,904 + 2,43

103

-1,7 x 103

para organismos mesófilos y de 150 a 5 000 para los termófilos . Se consideran valores bajos 3 000 microorganismos mesófilos y altos 300 000 microorganismos, por lo que las mieles cubanas están dentro del contenido bajo de microorganismos mesófilos . Para microorganismos termófilos se considera como bajo 1200 microorganismos y alto 16 500 microorganismos, por lo tanto, las mieles cubanas están dentro del contenido bajo de microorganismos termófilos. Entre la microflora de las mieles predominan el Bacillus subtilis, el Bacillus megaterium y el Bacillus cereus. 5 Almacenamiento de las mieles finales En el ICIDCA, se han realizado estudios sobre el comportamiento de las mieles finales durante su almacenamiento, en la tabla 105 se exponen los resultados : las pruebas industriales se realizaron en las destilerías Abraham Lincoln y George Washington. Analizando los resultados expuestos en la tabla 105, se observa que existe una tendencia a disminuir en los valores de los análisis con

-4,4

excepción de la capacidad tope (buffer) y el rendimiento industrial . Ello comprueba que las diferencias que sufre la miel final, en su composición química durante su almacenamiento normal, no afecta su calidad fermentativa . 5.1 COMPORTAMIENTO ANORMAL DE LAS MIELES FINALES DURANTE SU ALMACENAMIENTO Cuba es un gran productor de mieles finales . En general, las mieles finales cubanas, durante su almacenamiento, se comportan normalmente, como ya se explicó con anterioridad . Cuando las condiciones, sobre todo en el proceso de fabricación, centrifugación y almacenamiento, son anormales, ese comportamiento puede sufrir alteraciones y se pueden presentar casos de deterioro y destrucción violenta de las mieles almacenadas . Este fenómeno de autodestrucción se ha presentado en diversos países como Egipto, Hawaii, Taiwan, Puerto Rico, la India y otros, y ha sido objeto de análisis y estudio por muchos investigadores.

MIELES CUBANAS . CARACTERISTICAS PRINCIPALES En Cuba, hemos estudiado este fenómeno, y aunque los casos de deterioro, estadísticamente comparados con el volumen total de mieles producidas, son insignificantes, expondremos los factores comunes en los casos ocurridos en nuestro país, proponiendo medidas para evitar o mitigar, en lo posible, su repetición. 5.1.1 . Factores comunes en la mayoría de los casos de descomposición a) Cañas atrasadas .

k) Alto contenido de N2. 1) Ninguna medida de control en los tanques de almacenamiento . Casi siempre, cuando estos casos se detectan es por el olor característico a azúcar quemada, derrame de la miel, temperaturas anormalmente altas y todos los cambios expuestos en la tabla 106 . Es decir, en la etapa en que las reacciones ya son difícilmente controlables . 5.2 ESTUDIO DEL DETERIORO DE MIELES FINALES CUBANAS

b) Condiciones anormales en el cultivo . c) Mayor contenido de no azúcares en el jugo. d) Dificultad en la clarificación . e) Dificultades en la fabricación de las masas cocidas de tercera. f) Altas temperaturas durante la cocción y la purga . g) Grado Brix alto en las mieles finales . h) Altas viscosidades y densidades en las mieles finales . i) Color pardo rojizo en las masas y mieles . Sobrecalentamiento en las mieles.

Las tablas tados de los vez, la tabla de 7 casos de

106 y 107 muestran algunos resulcasos estudiados en Cuba. A su 108 recoge los datos comparativos deterioro de mieles finales de caña .

5.2.1. Deterioro de las mieles finales cubanas Normalmente, las mieles finales cubanas no sufren alteraciones significativas durante su almacenamiento ni en su composición, ni en sus cualidades fermentativas . Los fenómenos de autodestrucción de las mieles se agravan por factores evitables . Los resultados de nuestro estudio nos permiten hacer las siguientes recomendaciones : 1 . Liquidar y limpiar los tanques de almacenamiento .

TABLA 106 Resultados obtenidos de los casos estudiados para las mieles en la etapa de deterioro, así como los promedios decenales Parámetros Promedios decenales

Mieles 1' Etapa deterioro

Promedios decenales

X

Etapa deterioro

5,7

4,2

6,2

3,8

Grado Brix

90,1

82,6

88,7

63,8

Pureza

48,0

2,4

43,9

5,2

Pol

43,9

1,9

38,9

3,3

Azúcares R.T .

61,1

34,5

58,6

14,7

Sacarosa

45,9

36,1

-

Temperatura *C

65,0

80,0

70,0

86,0

Tiempo almac. (semanas)

-

14

pH

3,24

6

172 TABLA 107 Comparación de diferentes resultados obtenidos para las masas solidificadas C. Fajardo (P, Rico) (%)

Parámetros

Paramonga (Perú) (8%)

(Cuba) (%)

(Cuba) (%)

Reductores libres

26,73

2,23

0,77

3,28

Reductores totales

27,20

4,31

0,77

9,84

Sacarosa

0,47

' 4,09

-

6,23

Ceniza

8,87

12,65

16,49

81,3

87,40

86,69

76,36

Nitrógeno

-

0,69

0,74

0,89

Ca0

-

-

1,97

2,03

Materia seca

TABLA 108 Datos comparativos de 7 casos de destrucción de mieles finales C. Fajardo Olokele (P. Rico) (Hawai) 1. Tonelada de miel destruida

Plata (P. Rico)

Ernant Paromonga (Egipto) (Perú)

(Cuba)

(Cuba)

9 500

1 100

3600

5 800

1 500

8000

8 773

2. Temperatura final de las masas cocidas ('C) : 69-71 a) Al descargarse

67-71

64-67

77

85-88

69-72

69-70

50

42-46

60

60

b) Recalentada para purgar

54-56

57

3. Temperatura de la miel final entrando al almacenamiento (°C): a) Alta

63

74

68

90

60

75

70

54

57

63

66

50

68

66

103

95

104

86

100

102

101

5. Duracción medía del período antes del deterioro (semanas) 4,8-5,2

6-9

5

2-9

14

6

6. Composición de la miel al entrar en almacenamiento (Grados Brix)

87,80

89,10

91,40

98,40

90,80

92,30

91,60

Sólido por desecación (%)

81,40

83,50

85,50

84,50

rh 82,70

86,50

85,10

Sacarosa Clorget (°h)

35,20

33,30

37,60

38,10

34,50

42,90

39,00

Azúcares reductores (46)

23,90

19,30

21,80

9,30

20,80

17,20

19,00

Azúcares totales (%)

59,10

53,20

59,40

47,40

35,30

60,10

57,80

No azúcares totales (°h)

22,30

50,20

26,10

37,10

27,40

26,40

27,30

8,10

10,70

8,00

18,00

14,40

12,60

17,10

b) Promedio 4. Temperatura durante la reacción violenta (°C)

Cenizas (%)

-

3

173

MIELES CUBANAS . CARACTERISTICAS PRINCIPALES TABLA 108

(cont.) C. Fajardo Olokele (P. Rico) (Hawai)

No azúcares orgánicos

Plata (P. Rico)

Ernant (Egipto)

Parontonga (Perú)

(Cuba)

(Cuba)

14,20

19,60

18,10

19,10

13,00

13,80

10,20

pH

6,00

5,30

-

6,60

4,90

5,40

6,20

Nitrógeno

0,85

0,54

1,39

0,58

0,71

0,69

(9h)

2 . Se debe instrumentar un modelo donde se recojan : a) Las dificultades durante la cocción y temperatura de las masas cocidas de tercera y su comportamiento en los cristalizadores .

-

6. Hacer una instalación, aprovechando la bomba de entrada, que permita la recirculación de las mieles en el propio tanque o a otros tanques, como un método habitual de homogeneizar las mieles y bajar la temperatura .

c) Temperatura de las mieles al entrar en el tanque de almacenamiento .

7 . Dotar a los tanques de almacenamiento de una instalación exterior de cortina de agua, como un medio de refrescar la temperatura exterior del tanque .

Ésta debe ser lo más baja posible (43 - 45'C) .

8. Aplicar un sistema de chequeo regular de la temperatura de las mieles almacenadas .

3. Se debe llevar un control analítico de las mieles almacenadas que indiquen :

9. En caso de notar el comienzo de la reacción de deterioro, a saber por:

b) Temperatura de centrifugación .

Grado Brix

a) Disminución continuada de pH.

Reductores infermentables

b) Disminución Brix.

Pol Reductores libres N2

total

Pureza y compararlos con los promedios normales nacionales, para alertar sobre las que resulten potencialmente peligrosas .

continuada

de

grado

c) Disminución continuada de la pureza . d) Disminución continuada de la Pol. e) Disminución continuada de la sacarosa. f) Aumento de los reductores libres. g) Aumento continuado de la temperatura . Se debe :

4. Recibir las mieles en los tanques de almacenamiento por arriba y extraerlas por debajo o viceversa .

h) Sacar rápidamente las mieles para su procedimiento u otros usos.

5. Evitar, por todos los medios, el recalentamiento de las mieles almacenadas .

i) Crear una conciencia colectiva sobre la necesidad de estas medidas.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

174

TABLA 109 Potencial de productos a partir de la miel final como materia prima Producto

Método de elaboración de la materia prima

Alcohol etílico

Fermentación por Saccharomyces cerevisiae

Alcoholes superiores

Fermentación y purificación del alcohol etílico

Alcoholes isopropílico y butírico

Fermentación por Clostridium acetobutylictmt

Alcohol amilico

Fermentación Por

Glicerina

Fermentación alcohólica

2-3 butanodiol

Fermentación por bacterias del género Aerobacter

Levadura de panificación

Fermentación Sacch. cerevisiae

Levadura fprrajera

Fermentación aeróbica por género Candida

Levaduras especiales

Fermentación de Rhodotorula, levaduras enriquecidas (diferentes géneros de levadura)

COs

Fermentación alcohólica

Dextrana

Fermentación por Leuconostoc mesenteroides

Acido láctico

Fermentación láctica por lactobacillos

Acido cítrico

Fermentación cítrica por Aspergillum niger

Acido glutámico

Fermentación variada

Acido aconftido

Extracción

Acido itacónico

Fermentación por Aspergitlus terreus

Enzimas

Fermentación por Sacch. cerevisiae

Sacch. cerevisiae

Lisina Anticorrosivos

Diversas fórmulas

Piensos

Directamente o combinados

6 Abreviaturas

tag

microgramo

A.F.

azúcares fermentables

um

micrómetro

A. Pot.

acidez potencial

m.o

microorganismos

A/T

asimilable del total

NA .

nitrógeno asimilable

A.V .

acidez volátil

N.T.

nitrógeno total

C. tope

capacidad tope (buffer)

P^A.

P,O5 asimilable

ap

centipoise

P,Os . ./POT A

P,O5 asimilable del P,06 total

col.

coloides

P206T.

P,O6 total

g

gramos

P

poise

M.S .G.

materia seca gravimátrica

RA.

rendimiento alcohólico

175

MIELES CUBANAS. CARACTERISTICAS PRINCIPALES R.B .

rendimiento de biomasa

R.I .

reductores infermentables

R.L .

reductores libres

R.T.

reductores totales

sac.

sacarosa

% NA.IN.T .

tanto por ciento del nitrógeno asimilable del nitrógeno total

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ZERBAN,

Capitulo VII LA CACHAZA COMO MATERIA PRIMA RoMELIA LoP9Z

1 Introducción La cachaza es uno de los subproductos de la caña de azúcar de menor utilización práctica, hasta el momento, aunque mucho se ha escrito sobre sus posibles usos . En nuestro país, distintos investigadores han realizado estudios sobre las características y propiedades de la cachaza como materia prima, sin embargo, no existen trabajos publicados que aborden con profundidad esta temática . La cachaza se puede definir, técnicamente, como el residuo en forma de torta, eliminado en el proceso de clarificación del jugo de caña, en la fabricación de azúcar crudo. El residuo que se obtiene por sedimentación del jugo suspendido, en una gran cantidad de líquido y que luego se somete a filtración, se le denomina cachaza primaria y cachaza final, al que se descarga de los filtros para ser desechado . Su constitución depende de varios factores: del tipo de suelo, de la variedad de caña, del tipo de cosecha (mecanizada o manual), del grado de extracción del jugo de la caña, de la cantidad de cal u otros clarificantes usados en la defecación, de los métodos de filtración empleados, tamaño de los orificios de los coladores del jugo, etc. Este derivado de la producción azucarera contiene gran parte de materia orgánica coloidal dispersa, originalmente, en el jugo, que al alcalinizar se precipita con los aniones orgánicos e inorgánicos, en forma de sales de calcio, junto con otros materiales que son absorbidos en estos precipitados . 2 Obtención . Procedencia 2.1 CLARIFICACION. PROCESO El proceso de clarificación tiene como objeto principal, la purificación del jugo que sale de los molinos, como una mezcla compleja de los componentes de la planta de la caña. El método más antiguo de clarificación es el que se realiza, con cal y calor, el cual es conocido como proceso de defecación simple y se efectúa antes del concentrado del jugo por evaporación. En la clarificación se elimina la cantidad máxima de impurezas del jugo, añadiéndole la cal suficiente para

neutralizar los ácidos orgánicos que contiene y evitar así la inversión de la sacarosa; además de provocar la precipitación de las impurezas . El tratamiento a base de cal y calor hace que se efectúe, en el jugo, una separación en 3 capas; las sustancias menos densas, las cuales flotan ; las más densas, que se asientan en el fondo en forma de precipitado, y la porción central del jugo, que queda más o menos clara. Se han realizado diversos estudios tendentes a mejorar los métodos de clarificación y lograr una mayor precipitación de las sustancias extrañas contenidas en el jugo. Por ejemplo, existen variedades de caña cuyo jugo presenta bajo contenido de fósforo y otras que presenta altos contenidos de almidón, entre otras sustancias, todo lo cual dificulta la clarificación, al tener lugar reacciones en que sus productos son difíciles de precipitar. Dichos estudios trataban de resolver estos inconvenientes variando los distintos parámetros del proceso, tales como la concentración de hidróxido de calcio, la temperatura y también empleando diferentes métodos de decantación . Desde 1886, Von Lippimann comienza una lista de sustancias, que han sido propuestas para su uso en la clarificación en la industria azucarera, la que fue variando más tarde; ésta llegó a alcanzar 720 referencias que comprendían 490 sustancias inorgánicas, 198 orgánicas y 54 materias electrolíticas . Actualmente, la sustancia más difundida, para este proceso, es la cal en forma de lechada, que es una suspensión de Ca(OH) 2 en agua, con densidad de 12 a 15°Be, o sea, de 10 a 13 % de Ca0 (para los procesos automáticos de alcalinización, la lechada es de una densidad menor) . La cal produce reacciones con las sustancias en el jugo, de diferentes características : algunas dan origen a compuestos que quedad en suspensión, otras producen precipitados y también se producen reacciones que forman compuestos solubles en el jugo. Por esto, la eficacia de cualquier método de clarificación está en la velocidad de asentamiento y de flotación, así como en la eficiente separación de estos compuestos, entre otros factores. Hay varios métodos de añadir la lechada de cal al jugo para alcalinizarlo. Un método consiste en añadir la lechada al jugo crudo en frío, llevándolo a un

178

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZQCAR

pH que fluctúa entre 7 y 8,6, calentándole luego a 100 102'C. Otro método sería, añadir la lechada después de calentar el jugo hasta alcanzar un pH de 7,6 a 8,0 . También se puede realizar la adición de manera fraccionada, o sea, en 2 etapas, una antes del calentamiento y otra después . En frío el pH es mayor, a causa de que durante el calentamiento el pH desciende por las reacciones que ocurren . Para una clarificación óptima no existe un pH único, como se pensaba antiguamente, sino que éste varía en dependencia de las impurezas del jugo, tratando de obtenerse una precipitación rápida y un jugo claro, libre de turbidez . Tanto el rango de pH como el de temperatura son importantes en este proceso . A pH menores que 7,8 ocurre la inversión de la sacarosa con mayor rapidez, convirtiéndose en fructosa y glucosa (azúcares reductores) . Esta reacción es irreversible, lo que llevaría a la pérdida de azúcar . Esto también ocurre a temperaturas mayores de 100'C, por lo que se establece un compromiso alrededor de esta temperatura y pH mayores que 7; sin embargo, se debe tener en cuenta que a pH muy elevados se produce la destrucción de los azúcares reductores que están ya presentes en el jugo y se obtiene un producto de color oscuro que no es conveniente en el proceso de clarificación . 2.2 TRATAMIENTO DE LA CACHAZA

El guarapo claro, que comprende 80 ó 90 del jugo original, casi siempre va a los evaporadores, sin más tratamientos, mientras que la cachaza se filtra, se diluye, se deja que sedimente y se decanta . Con el fin de ayudar a la filtración, la cachaza es mezclada con bagacillo, en proporciones no exactas, sino a consideración del técnico, esto constituye una de las razones de la variabilidad en la composición de la cachaza. El bagacillo para esta mezcla se obtiene por tamizado o separación por aire . La sedimentación se propicia alcalinizando la cachaza a un pH entre 8,0 y 8,5 ; aunque hay quien prefiere no alcalinizar para evitar las reacciones colaterales que se producen. Los filtros rotatorios al vacío (tipo Oliver-Cambell), han sustituido los filtros prensas existentes, desde principios de siglo, y son los encargados de recuperar, mediante un proceso continuo, la mayor cantidad de azúcar de la cachaza . Consisten en un tambor cubierto por láminas de metal perforadas, que gira y se le aplica succión, lo que hace que se forme una torta sobre la superficie . Esta torta se lava y se desprende, adecuadamente, bien raspándola o descargándola por la tela filtrante, según sea el método que se emplee . Las ventajas fundamentales del empleo de los filtros rotatorios es que,

además de propiciar la filtración mediante un proceso continuo, son más eficientes y permiten simplificar la estructura administrativa de la empresa, con el consiguiente ahorro de trabajo . 3 Caracterización 3.1 COMPOSICION DE LA CACHAZA

Los componentes químicos de la cachaza han mostrado gran variación, de acuerdo con el lugar y las condiciones de obtención, como ya se dijo con anterioridad, aunque, en general, se observa que tiene gran cantidad de nitrógeno y fósforo, entre otros. El nitrógeno se presenta, principalmente, como proteínas u otras formas amoniacales más simples o en forma nítrica, tiene una conversión rápida si fuese necesario descomponerlo, en dependencia de su utilización . El fósforo se presenta en forma de combinaciones orgánicas complejas, tales como fosfolípidos y. nucleoproteínas, aparecen algunas en forma de fosfatos de calcio provenientes del proceso de clarificación . Sin embargo, el contenido de potasio es muy bajo (aproximadamente 0,4 ^io) . La cachaza sufre degradación microbiológica, en la que varía la concentración de nitrógeno, a largo plazo, mientras que en el calcio y fósforo no es apreciable esta variación . No se han reportado estudios en cuanto al almacenamiento de cachaza ; aunque es conocido que cuando ésta se almacena en grandes pilas, puede sufrir, paulatinamente, el proceso de autocombustión . Sin embargo, esparcida a 3 ó 4 cm TABLA 110

Base seca (016)

Contenido Producto húmedo (46)

Proteína cruda

12-16

3-4

Extracto al benceno (cera, aceite y resina)

10-14

2,5-3,5

Componentes

Ceniza

8-12

2-3

P205

3-5

0,6-1,3

Ca0

2,5-5

0,5-3,5

Sacarosa y azúcares reductores

10-14

2,5-3,5

Meollo de caña

18-25

4,5-6,25

Otros

25-35

6,2-8,7

LA CACHAZA COMO MATERIA PRIMA

179

TABLA 111

Acido aspártico

4,4

Treonina

2,8

Acido glutámico

3,7

Metionina

0,5

Isoleucina

2,1

Alanina

5,8

Valina

3,5

Leucina

3,6

Tirosina

0,6

Fenilalanina

1,3

Triptófano

1,2

Histidina

2,2

Lisina

2,1

Arginina

0,9

de espesor, no ocurre esto, ya que la cachaza presenta gran capacidad de areación por su carácter esponjoso . En la tabla 110 se muestra la composición de la cachaza cubana, según estudios realizados TABLA 112 Contenido de nutrientes de la cachaza de las fábricas de la Taiwan Sugar (TSC) en 1979-1980 Componentes

Contenido (%) (b .s.)

Nitrógeno total (N)

0,78- 2,77

Fósforo total (P,O5)

0,70- 2,52

Potasio total (Ks0)

0,36- 0,73

óxido de calcio (Ca0)

1,21- 3,92

óxido de magnesio (Mg0)

0,63 . 1,19

Humedad

67,44-78,18 (base htíme-

Materia orgánica

27,42 - 74,00

PH

da)

6,30- 7,95

por la Subdirección de Fermentación, del ICIDCA, donde se puede apreciar su fluctuación, de acuerdo con las condiciones de la zafra . De la fracción de proteína bruta de la cachaza, se han identificado los aminoácidos que se relacionan en la tabla 111 . El Instituto de Investigaciones Azucareras de Taiwan, reporta unos valores de la composición química de la cachaza y corrobora que ésta posee gran cantidad de materia orgánica, así como de nutrientes para las plantas. Se puede observar que la tabla 112 refleja el contenido total de nutrientes que contiene la cachaza y que pueden ser asimilados por las plantas en su uso como fertilizante .

3 .2 FACTORES AGROINDUSTRIALES QUE INFLUYEN EN LA COMPOSICION DE LA CACHAZA Como la cachaza es el conjunto de los no azucares, en el proceso de . fabricación de azúcar, extraído en forma de desechos, su composición está influida por una serie de factores de tipo agroindustrial, por lo que a continuación se relacionan los que mayor incidencia tienen : a) Variedad de la caña : como es conocido, el contenido de nitrógeno, fósforo, etc ., depende de la variedad de la caña, así como también la cantidad de materia cerosa, que varía de una especie a otra. b) Tipo de cosecha : el incremento en la mecanización aumenta la materia extraña que entra en la fábrica, y, por lo tanto, aumenta el contenido de cenizas, materia orgánica y otros sedimentos que hacen variar la composición de la cachaza . c) Clima: la cera contenida en la caña, aumenta en épocas de sequía, ya que su función es proteger la evaporación de agua en la planta, esto ocurre, principalmente, en las regiones tropicales, mientras que en épocas de lluvia es arrastrada una mayor cantidad de tierra, lo que aumenta así la materia orgánica . d) Temperatura del agua de imbibición (extracción de solubles) : en la actualidad el agua utilizada en el proceso de extracción de azúcares del bagazo, se calienta a ebullición y esto implica que el arrastre de materias solubles, a esa temperatura, se efectúe con mayor facilidad . e) Proceso de clarificación : en dependencia de las sustancias químicas utilizadas en la clarificación de los jugos, así será la com-

180

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

posición de los precipitados formados . Por ejemplo, al utilizar cal, hay un mayor arrastre con los precipitados y se forman diferentes compuestos de Ca, etc. f) Bagacillo añadido : como la cantidad de bagacillo añadido para ayudar a la filtración de la cachaza no es una cantidad fija, esto trae como consecuencia que el contenido de materia orgánica varíe, así como también los tiempos de filtración . 4 Utilización 4.1 PRODUCCION DE CERA Este punto está ampliamente explicado en el capítulo de cera y grasas de cachazas, no obstante, hacemos referencia a algunos aspectos de interés. Desde principios de siglo se ha trabajado en la extracción de cera a partir de. cachaza. Esta extracción se ha realizado de varias formas : aislándola y purificándola y más tarde por medio de solventes orgánicos. La cera cruda presenta una densidad de 0,98 g/ein3, su punto de fusión es de 64 - 68°C . Esta cera es procesada para obtener una cera más refinada que se le llama cera dura; ;de aquí se obtiene, también, aceites o grasas y una porción denominada resinas. En Filipinas, Taiwan, Cuba e India, entre otros países, se han instalado plantas pilotos para la refinación de cera de cachaza, con el fin de sustituir los diferentes tipos de ceras derivadas del petróleo y otras materias primas, que mundialmente se han venido utilizando, con lo que se daría una mejor utilización a este subproducto de la fabricación de azúcar . Este intento de producción de cera se incrementó durante la Segunda Guerra Mundial, en que algunos países no podían recibir las ceras importadas. El proceso de blanqueo de la cera refinada, se varía según su futura aplicación . Entre las numerosas utilizaciones de la cera refinada se encuentran : recubrimiento len cítricos, beitunes, pulimento de automóviles, adhesivos, industria textil, perfumería y cosméticos, fármacos, etc. El aceite de cachaza tiene gran utilización como aditivo en la dieta del ganado avícola y presenta un alto contenido de fitosteroles, de gran interés para la obtención de hormonas, así como también para la industria farmacéutica . También se pueden obtener ácidos grasos de aplicación en la industria. En la 43 Conferencia de la ATAC se presentó un trabajo (Navia, 1981) sobre las propiedades terapéuticas relevantes del aceite de cachaza, donde se da a conocer su estudio y pruebas de

sus posibles propiedades farmacológicas y se cuantifican sus resultados específicos . 4.2 FERTILIZANTES La cachaza ha sido utilizada, tradicionalmente, como fertilizante en muchas áreas de los centrales azucareros, en diversas cantidades, así como también en otros cultivos. Su aplicación está basada en la gran cantidad de nitrógeno, fósforo, calcio y materia orgánica que aporta al suelo . Se han realizado varios experimentos con la cachaza como fertilizante, obteniéndose resultados satisfactorios de cosechas, principalmente en suelos plásticos, suelos rojos arcillosos tropicales y ferralíticos . A continuación reseñamos experimentos realizados por algunos investigadores, cuyo objeto de estudio era determinar las propiedades de fertilización de la cachaza y los volúmenes óptimos de su utilización . Los experimentos realizados por Alomá, en áreas del central Guatemala, en 1973, se efectuaron a varios niveles de concentración de cachaza por hectárea de terreno que había que fertilizar, tales fueron : 99, 148, 295 y 394 t/ha, se observaron mayores beneficios en el primer nivel, o sea, para 99 t/ka, ya que a medida que son mayores los niveles de concentración, comienza a decrecer la curva de rendimiento . Por otra parte, a mayor nivel de concentración crecen, de manera innecesaria, las cantidades de este producto que se va a manipular. En la tabla 113 se pueden observar los resultados promedios de la aplicación de cachaza incorporada al suelo en las áreas del central Guatemala y comprobar, además, el carácter residual en la misma, que puede durar hasta 5 a. Como se sabe, las propiedades físicas y químicas, en un tipo de suelo, están influidas, notablemente, por la materia orgánica que contiene. Ésta sirve de fuente de energía y alimento a los microorganismos . Al actuar sobre la materia orgánica, los microorganismos del suelo la van transformando en diferentes grupos húmicos, de los cuales unos se descomponen rápidamente, siendo incorporados a la planta en un primer período, mientras que otros, son de más larga descomposición y son asimilados por la planta en un tiempo más prolongado . De ahí el carácter residual de la cachaza en su función de fertilizante. En los experimentos utilizados se obtuvieron aumentos en azúcar por área, durante un período de 5 a, aunque se alcanzaron los mayores tantos por ciento de rendimiento en la segunda y tercera cosechas . Al aumentar los niveles de cachaza, se comprobó que se incrementaba el contenido de nitrógeno foliar, mientras que éste

LA CACHAZA COMO MATERIA PRIMA TABLA 113

Promedio total

de Trata miento 5 cose. chas (t/ha) Sin cachata 6,48

Tratamiento (t/ha)

ler. año

%

Sin cachaza

8,00

100

8,90

100

5,66

100

5,17

100

4,68

100

99

8,38

105

10,80

121

7,63

135

5,69

110

4,56

97

99

7,41

114

148

8,95

112

11,46

129

6,50

115

5,89

114

5,09

109

148

7,58

117

295

8,88

111

11,63

131

7,61

134

7,05

136

5,54

117

295

8,14

116

394

9,03

113

11,22

126

6,50

115

6,53

124

5,38

115

394

7,73

114

2'

año

%

3er,

ño

%

4"

año %

5"

año %

% 100

TABLA 114

Promedio de los resultados de análisis foliar en estudios de nitrógeno Tratamiento

Nitrógeno en la hoja (%) 3er. año ler. año 1' año

4^

año

Sin cachaza

1,59

1,54

1,16

1,26

1,69

1,74

1,34

1,35

148

t/ha t/ha

1,68

1,80

1,39

1,38

295

t/ha

2,01

1,88

1,49

1,41

99

disminuía con el transcurso de las cosechas (Tab. 114) . El fósforo foliar también aumentó con los niveles de cachaza y se llegó a la conclusión que el efecto residual de la misma es más duradero sobre el fósforo que sobre el nitrógeno. También se han realizado experimentos a otros niveles de concentración y en otros tipos de suelos . Medina estudió el efecto del encolado y la aplicación de la cachaza en el mejoramiento de los suelos ferralíticos . Utilizando niveles de cachaza de 0 y 200 t/ha, base húmeda. Se comprobó que la adición de cachaza mejora, tanto la fertilidad como el contenido de nutrientes del suelo. Paneque también reporta estudios realizados sobre suelos similares y muestra que se podían obtener aumentos considerables en la producción de caña, aplicando los mismos niveles de cachaza . Otros trabajos tanto en Cuba como en el extranjero, llegan a las mismas conclusiones. En la India se reporta que la producción anual de cachaza, la cual se considera un efluente, contiene un equivalente de alrededor de:

1 t de sulfato de amonio 30 000 t de P20s 22 000 t de cloruro de potasio 1,8 t de superfosfoto Todos estos compuestos químicos son importados, anualmente, por lo que aportan un mayor interés, por el estudio de este residuo azucarero, para su utilización como fertilizante . Por otra parte, según cálculos preliminares realizados por Alomá, 100 t de cachaza, aplicada por hectárea, suministra al suelo, aproximadamente: 1 tdeN 1,23 t de P20s 0,11 t de K2 0 La cachaza, aunque reporta poca cantidad de potasio al suelo, ayuda, sin embargo, a la reten-

182

LA

INDUSTRIA DE

ción del mismo, lo cual implica un mayor aprovechamiento por parte de la planta. Esto ocurre a causa de la gran capacidad de intercambio de la materia orgánica de la cachaza . El contenido de cal en la cachaza aumenta el pH del suelo y, por tanto, actúa como agente liberador de fósforo y potasio retenidos. En el proceso de descomposición de la cachaza se forma cierta cantidad de ácidos, entre ellos el ácido carbónico, lo cual pudiera disminuir el pH del suelo ; sin embargo, esto no ocurre así, pues son neutralizados, presumiblemente, por los iones calcio y otros cationes contenidos en la cachaza. Podemos concluir, que la cachaza como enmienda orgánica de los suelos para mejorarlos, aporta los nutrientes necesarios, sin necesidad de usar fertilizantes químicos, mejora las propiedades físicas y microbiológicas del suelo, y aumenta los rendimientos de la caña de azúcar .

4.3 LA CACHAZA COMO ALIMENTO ANIMAL Los resultados más concretos con respecto al empleo de la cachaza como alimento animal, es su utilización como fuente de grasas en las dietas de la masa avícola, del aceite recuperado de la cachaza . La producción de aceite de cachaza está limitada por la producción y refinación de la cera, ya que es durante ese proceso en que éste se obtiene como subproducto . Por otra parte, se han realizado estudios tendentes a determinar las posibilidades de aplicación de la cachaza, bien en forma natural o fermentada, mezclada con miel en diferentes proporciones o sola. Según reporte del Plan de Alimentación en Seca 1981-1982, del Viceministerio de la Ganadería, la utilización de la cachaza, en alimentación animal, en este período, es de 269 000 t. Sin

LOS

DERIVADOS DE LA CARA DE

embargo, aún no se reportan resultados concretos de rendimientos en carne, en la práctica. Trabajos realizados en el ICA donde fueron sustituidos, total o parcialmente, los azúcares incluidos a la dieta de aves por cachaza, en diferentes niveles, arrojaron resultados no satisfactorios para niveles de sustitución superiores a 37,5 y 50 %, lo que provocó bajos rendimientos y un incremento de la mortalidad . Sin embargo, para niveles bajos de 1,5 % se obtuvieron resultados que pudieran servir de base para estudios posteriores. Actualmente, en distintas regiones ganaderas del país, se ha ido a un incremento de la utilización de este subproducto con fines de la alimentación animal y se emplea en forma fresca directamente o mezclada con miel .

4.4 PRODUCCION DE CARBON ACTIVADO Ya en 1941, se publicó un estudio de la cachaza como materia prima, para la fabricación de carbón activado, también con el fin de sustituir los carbones decolorantes, de origen vegetal, que se utilizan para tratar las soluciones de azúcar, en su refinación, los laboratorios de investigaciones del ICIDCA realizaron un trabajo experimental para determinar la posibilidad de utilizar cachaza para la producción de carbón activado . Para la obtención de carbón activado, con los parámetros de calidad requeridos, la materia prima, cualquiera sea ésta, debe tener las siguientes características : 1 . Bajo tanto por ciento de humedad, lo cual representa mayor rendimiento y menor consumo energético . 2.

Bajo contenido de ceniza, esto implica mayor rendimiento .

TABLA 115

Comparación de las características de la madera y la cachaza Madera (verde al corte) Humedad

40-55

Ceniza seca (%)

0,5-3

Material volátil b.s. (%) Densidad materia seca Carbono

fijo

b.s. (%)

Carbón activado del material húmedo (%)

(g/1)

AZüCAR

(al

Cachaza

salir del filtro) 65-75 10-30

75-85

60-70

400-600

120-180

15-25

10-20

4-6

Depende de la tecnología

183

LA CACHAZA COMO MATERIA PRIMA

3 . Bajos niveles de densidad, ya que a medida que baja ésta se logran carbones más porosos y, en consecuencia, mayor grado de actividad . 4. Alto contenido de carbón representa mayor rendimiento y mayor poder decolorante. Este factor está relacionado, de forma inversa, con el contenido de ceniza. En la tabla 115 (Alonso, 1970) se puede observar la comparación entre las características de la madera y la cachaza para estos fines . Se observa que el grado de humedad y contenido de ceniza en la cachaza, están muy por encima de los de la madera. El contenido de carbono es similar, en ambas materias primas, mientras que la densidad de la cachaza es muy inferior a la de la madera. Por estudios realizados al respecto, los resultados no han sido muy satisfactorios a causa de la variabilidad en la composición de la cachaza . Se encontró que estas variaciones afectaban los rendimientos e impedían normalizar los tiempos de carbonización y activación, ya que el contenido de ceniza varía mucho de un central a otro y de una zafra a otra y esta variabilidad influye, directamente, en los tiempos de carbonización v activación ; por otra parte, también

resultó que el poder decolorante y el rendimiento eran muy bajos, cuando el contenido de ceniza es superior a 20 % . Todo lo anterior hizo que el ICIDCA no continuara sus trabajos de investigación para obtener carbón activado a partir de cachaza . 5 Potencialidad A escala mundial, se obtienen, anualmente, grandes cantidades de cachaza como residuo de la industria azucarera : aproximadamente 3 de la caña molida . La cachaza como tal tiene un mercado muy limitado, en relación con su potencialidad, aunque las posibilidades de industrialización de esta materia prima, con vistas á la producción de cera y grasas, están dadas por la demanda del mercado interno y de la exportación . Para la cera refinada, existe un mercado interno apreciable, así como para el aceite . Las posibilidades de exportación de cera refinada de alta calidad y de fitosteroles, materia prima para la producción de hormonas, serían el factor determinante de esta problemática . A lo que a su utilización como fertilizante y alimentación animal se refiere, la cachaza posee gran cantidad de elementos activos y nutricio-

000 000 f AZUCAR

1920 000 t CACHAZA

CERA CRUDA

20 000 ha FERTILIZADAS ANUALMENTE CARACTER RESIDUAL

1 000 000 ha A LOS 5 0 Fig. 85 Producto aproximado que se puede obtener, alternativamente, con la cachaza producida en una zafra de 3009171) t de azúcar.

18 4

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVAMS DE LA CAÑA DE AZOCAR

nales que pueden sustituir, total o parcialmente, los utilizados de manera convencional . Si se utilizara toda la cachaza de una zafra de 8 000 000 t de azúcar se podría obtener, alternativamente, cera cruda, producto procesado para el alimento animal o fertilizante, según se muestra en la figura 85, teniendo en consideración un comportamiento medio de la composición de la materia prima. A causa del alto precio del petróleo y la crisis energética mundial, resultaría beneficioso para los países subdesarrollados productores de azúcar, desarrollar el estudio, de manera integral, de este subproducto para su utilización en las distintas alternativas de empleo que se presentan.

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TERCERA PARTE TECNOLOGÍA Capítulo VIII INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

1 Introducción La idea de utilizar el bagazo para la producción de pulpa y papel no es nueva. En 1838, se propuso, por primera vez, su empleo como materia prima celulósica. Entre 1844 y 1856, se efectuaron pruebas en Francia e Inglaterra, y ya en las postrimerías del siglo xix existían algunas fábricas pequeñas en EE UU. En Cuba, el primer hito histórico lo marcó el establecimiento, en 1915, de una pequeña fábrica para la producción de papel de embalaje, con capacidad de 4 t/d, aunque su existencia fue efímera ; tal fue el caso, de una instalación construida, posteriormente, en el antiguo central Tuinicú, hoy Melanio Hernández, en Sancti Spíritus, para la producción de 40 tld de pulpa para disolver del bagazo . En otros países se construyeron algunas fábricas durante la primera mitad del presente siglo, aunque con resultados poco satisfactorios . La primera instalación comercial de importancia se erigió en Perú, en 1939, seguida de otras 2 en Filipinas y Argentina, en 1941 y 1943, respectivamente . También durante la Segunda Guerra Mundial se construyeron en Taiwan 2 fábricas. Otras plantas pequeñas fueron establecidas en Colombia, Perú, la India y Brasil, a fines de la década de 1940 y a comienzos de la siguiente . A fines de 1952, existían, solamente alrededor de 10 fábricas de pulpa y papel en el mundo que utilizaran bagazo como materia prima . No fue hasta finales de la década de 1950, cuando el bagazo cobró auge como materia prima papelera. Así, en 1962, había ya más de 25 fábricas productoras de pulpa de bagazo en el mundo, y cerca de 40 plantas de papel que utilizaran en alguna proporción, dicha pulpa.

En la actualidad, existen alrededor de 70 fábricas en el mundo dedicadas a la producción de pulpa a partir del bagazo, para una capacidad instalada de 1 800 000 t/a . A pesar de su relativamente reducida participación en la producción mundial de celulosa y papel, por el volumen e índice de incremento de la misma, el bagazo ocupa el primer puesto entre las plantas anuales.

2 Pulpeo de alto rendimiento RAt BAMBANASTE, GLORIA VILLAMIL

El desarrollo alcanzado en la industria de pulpa y papel trae aparejado la tendencia creciente a disminuir el consumo de materia prima por tonelada de pulpa, o lo que es lo mismo, incrementar el rendimiento . La necesidad de remplazar las tradicionales maderas suaves, caras y escasas en esta industria, introduce a las maderas duras y a otros materiales celulósicos no convencionales, imponiéndose, por ello, la adaptación de los procesos industriales a estas nuevas materias primas . De esta manera, cobran auge los procesos semiquímicos y los de tipo mecánicos, llamados, en general, procesos de alto rendimiento . El proceso de alto rendimiento significa, al mismo tiempo, menor consumo de reactives químicos, así como perfeccionamiento en los equipos de molida . El pulpeo semiquímico consiste, de un proceso multietapas que comprende el tratamiento químico al material fibroso, para obtener una remoción parcial de lignina, seguido de un tratamiento mecánico para completar la separación de las fibras . Las investigaciones realizadas con bagazo, han evidenciado su relativa facilidad para la impreg-

18 6

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

nación, comparado con la madera, atribuyéndose la misma a su morfología. Durante la impregnación se produce un hinchamiento en las fibras, donde la lamela media incrementa su espesor y el lumen disminuye . El hinchamiento es restringido por las regiones lignificadas de la lamela de transición, la pared primaria y la lamela media, por esa causa se desarrollan considerables tensiones dentro de la pared de la fibra, lo cual, con la etapa mecánica posterior, produce rotura entre la lamela de transición y la pared secundaria (S2) . Por tanto, se reduce la fuerza que une las fibras y la etapa de refinación mecánica se favorece. A temperaturas altas ocurre una delignificación real y se produce un pulpeo químico, pero a bajas temperaturas, predominan la penetración y el hinchamiento, como etapas más importantes . Los procesos semiquímicos más importantes son : a la soda fría y al sulfito neutro (NSSC) y las pulpas obtenidas a partir de éstos se emplean para medio de corrugación, fundamentalmente, aunque también se hace extensivo para papel periódico, de impresión y de escritura . El abrillantamiento superficial o el blanqueo, sin remoción de lignina, contribuyó, notablemente, a extender el uso de estos tipos de pulpa, dentro de los procesos de tipo mecánico . Estos, a su vez, se dividen en los procesos quimimecánico, termomecánico, quimitermomecánico y mecánico. Los procesos de tipo mecánico son, igualmente, multietapas . La diferencia entre ellos consiste, fundamentalmente, en el tipo de pretratamiento al material fibroso . La etapa de molida o refinación de estos materiales pretratados se realiza en refinadores de discos, con el propósito de terminar la separación de las fibras, o sea, completar el pulpeo . El proceso quimimecánico consiste en tratar el material fibroso con productos químicos, los más usados son la sosa cáustica y el sulfito alcalino, a una temperatura y tiempos determinados. El objeto de este pretratamiento es ablandar el material, para que cuando, posteriormente, se efectúe el tratamiento mecánico, éste se produzca de forma satisfactoria, sin destruir las fibras y obtener la calidad buscada en el producto. El proceso termomecánico logra el ablandamiento con temperatura y presión y continúa con la refinación . Este proceso brinda pulpas más resistentes, comparado con el anterior. El proceso quimitermomecánico, combina ambos procesos en el pretratamic- :to y logra mejorar la calidad final. El proceso mecánico es el más simple, sólo utiliza agua caliente en el pretratamiento y seguidamente la refinación .

Las pulpas producidas por procesos de tipo mecánico se utilizan, fundamentalmente, para papel periódico. Se pueden encontrar, también, formando parte de las mezclas para papeles de imprenta y escribir, sanitarios y cajas de cartón . En nuestros días, se han esclarecido los crite. rios en cuanto a la necesidad de que el mayor componente en la composición de la mezcla de pulpas para papel periódico, sea la pulpa mecánica o tipo mecánica, a causa de las propiedades ópticas, principalmente . En las últimas 4 décadas, el bagazo, como materia prima en la industria de pulpa y papel, ha recibido especial atención, sobre todo en la producción de pulpas de alto rendimiento . Un lugar especial encuentra, en este caso, la producción de papel periódico a partir de bagazo, en cuyas investigaciones están involucrados especialistas de diferentes países. En los últimos 2 a, se han desarrollado con este fin nuevos procesos quimimecánicos y quimitermomecánicos, utilizando, en el pretratamiento, sulfito de sodio y sosa cáustica, en países como Estados Unidos, Japón, Finlandia y Cuba . 2.1 PULPEO MECÁNICO A PARTIR DE BAGAZO El desarrollo de los refinadores de discos, en la industria de pulpa y papel, proporcionó un gran avance para la obtención de nuevas calidades de productos, así como se amplió el uso de las pulpas mecánicas convencionales de madera, que comúnmente se obtienen en molinos de piedras . Los refinadores de discos (Fig. 86) propiciaron un mayor control del proceso, ampliando el rango de calidades de pulpa, pero, además, permitieron introducir, como materias primas para estos procesos, materiales celulósicos no convencionales hasta entonces, tal es el caso del bagazo . 2.1 .1 Resultados obtenidos a escala de laboratorio El bagazo es, comparado con las maderas suaves, relativamente pobre en propiedades de resistencia y brillantez . Es importante preservar la longitud promedio de su fibra, así como la brillantez inicial . Esta experiencia ha sido destacada por diversos autores y corroborada la necesidad de preservar las propiedades del bagazo fresco, para lo cual se impone un adecuado almacenamiento . Esta condición es fundamental para el uso del bagazo en los pulpeos de tipo mecánico . Durante las investigaciones también se ha evidenciado que el bagazo, requiere, antes del tratamiento mecánico, un tratamiento, aunque sea li-

18 7

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

Fig. 86

Refinador

gero, con agua caliente . En este caso, el mismo se realiza a 80 °C, durante 2 h, y el tratamiento mecánico se efectúa en refinadores de laboratorio de 8 a 12 in' de diámetro . Se ha observado durante la etapa de refinación, la necesidad de controlar los siguientes parámetros : consistencia, grado de molida, temperatura, y claridad entre discos . En la tabla 116 aparecen las propiedades físico-mecánicas de la pulpa. Para incrementar la brillantez de la pulpa, hasta los valores necesarios, se utilizan como abrillantadores superficiales el peróxido de hidrógeno y el hidrosulfito de sodio, a la vez que se mantiene el alto rendimiento de la pulpa (93 - 95 %) . Por comparación se presenta la tabla 117 con los resultados de la pulpa mecánica de bagazo obtenida por la Crown Zellerbach Corporation (EE. UU .) Los resultados obtenidos en las pr-)piedades de estas pulpas, en la actualidad, sugieren su 'Pulgada, en sistema paralelo al Sistema Internacional de Unidades (SI) .

de discos. TABLA 116

Propiedades de la pulpa mecánica no blanqueada a partir de bagazo Grado de molida (-SR)

65

Peso básico (g/m')

70

Densidad (glcm3)

0,309

Indice de rasgado (mN . m'/g)

1,57

índice de estallido (kPa .m'/g)

0,80

indice de tensión (N .m/g)

13,73

Brillantez (%)

43

Opacidad (°i6)

99

Coeficiente de dispersión específica (cm'/g)

500

uso como parte de las mezclas para papel periódico ; sin embargo, a pesar de las mejoras obtenidas en la calidad, se considera, por diversos autores y es la experiencia cubana, que la potencialidad del bagazo se debe encausar hacia pul-

188

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

Fig: 87 Instalación industrial de refinadores de discos. TABLA 117

Propiedades pulpa mecánica de madera Grado de molida (-SR)

65

índice de estallido (kPa .m 2/g)

0,49

índice de rasgado (mN . m'/g)

0,68

índice de tensión (N-m/g)

6,86

Opacidad (%)

93,2

peos de tipo mecánico, tales como quimimecánicos y quimitermomecánicos, cuyas propiedades de resistencia son adecuadas y compiten

con las de las maderas convencionales para papel periódico, sanitarios, de imprenta y escribir, baratos y otros, mientras que las pulpas mecánicas de bagazo son pobres en propiedades de resistencia y están en franca desventaja, en este caso, con las maderas . 3 Producción de pulpas por el proceso a la soda fría El proceso a la soda fría constituye uno de los más generales, aplicado tanto a las maderas du. ras y blandas, como a otras materias primas celulósicas, lo que permite la producción de una amplia variedad de pulpas de alto rendimiento,

189

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

igualmente diverso . Las maderas blandas no responden bien a este proceso y requieren altos consumos de energía en la etapa de refinación, sin embargo, las maderas duras y otras materias primas como el bagazo, responden, favorablemente, al tratamiento y reportan rendimientos de 75 y 95 vio, con menor consumo energético en la etapa de refinación . Este resultado permite, por tanto, ampliar el uso de materias primas no convencionales en estos procesos. Se puede decir, que mediante el proceso a la soda fría, se obtienen pulpas semiquímicas y quimimecánicas para papel periódico, sanitarios, medios de corrugación para cartones, etc. En el proceso a la soda fría, el principio de fabricación de la pulpa semiquímica consiste en tratar la materia prima fibrosa con NaOH, a temperatura ambiente, o ligeramente mayor a concentraciones de 25 - 50 g/l, en el caso de las maderas y de 5 - 15 g/l, en el caso del bagazo . El tratamiento mecánico debe completar el proceso de pulpeo y lograr una fibrilación adecuada a las fibras que permita buen entrelazamiento entre las mismas, para alcanzar una recuyo uso es

sistencia adecuada en el papel. La refinación se efectúa en refinadores de discos, para ello es necesario hacer una selección adecuada del rayado de los mismos, de acuerdo con la materia prima. prima . Con relación a materiales como el bagazo, por su morfología, se recomiendan rayados gruesos en la etapa inicial y finos en la final. Las adaptaciones en la tecnología de refinación de las pulpas, dependen mucho del tipo de materia prima, pretratamiento efectuado y uso del producto final . 3.1 RESULTADOS DE LA PRODUCCION DE PULPAS SEMIQUIMICAS Y QUIMIMECANICAS En el pulpeo a la soda fría del bagazo, éste se ha tratado con soluciones de NaOH en concentraciones entre 5 y 15 g/1; temperaturas entre 80 y 120°C y tiempos relativamente bajos entre 10 y 30 min. Por el análisis de los resultados obtenidos, se puede apreciar que la concentración juega un papel importante en la reacción de la soda y el

Wit

so

r .1oo "c

so

r . 1205

T (en) 10 20 30 Fig . 88 Influencia de la concentración de reactivos, el tiempo y la temperatura, sobre el rendimiento de cocción.

190

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

72 74 0,40

76 78

80 82 84

0,38

92

94

2

08 p N

0,38 0,36 0,34

0,32

0,32

0,30

0,30

0,28

0,28

0,26

0,26

r

i

0,22 2

0,40

ligmna residual constantes

0,24

Q

98

96

°i6 pollsacarldos constantes

0,36 0,34

86 88 90

i

rri

.

0,24 0,22

rr~ ri r r r _.r

0,20

r _

0,20

0,18

0,18

0,16

0,16

0,14

0,14

0,12

0,12

0,10

0,10

0,08

0,08

0,06

0,08

0,04

0,04

0,02

0202

72 74

76

78

80

82

84 86 88 90 92 rendimiento

94 96

98

100

Fig. 89 Pulpeo semiquímico del bagazo, Influencia de la concentración sobre la velocidad de reacción,

bagazo, a 120°C. Esto puede verse en la figura 88 donde se observa, también, que dentro de los 10 primeros minutos se produce la mayor pérdida de rendimiento, la cual disminuye, apreciablemente, a tiempos superiores . En la figura 88 podemos ver que el consumo de NaOH es muy rápido, al comienzo de la reac-

ción y después de un tiempo tiende a estabilizarse, al igual que el rendimiento . La figura 89 (diagrama de Ross) muestra el efecto de la concentración sobre la distribución de productos o la selectivididad del proceso, demostrándose que al aumentar la concentración y disminuir la temperatura, se pierde menor cantidad de polisacá-

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO ridos por unidad de lignina extraída, o sea, la reacción se hace más selectiva. En la tabla 118 se presentan las propiedades físicas de la pulpa semiquímica a la soda fría de bagazo . TABLA 118 Propiedades tísicas de la pulpa semiquícfra de bagazo

a a la soda

Grado de molida (°SR)

35

Peso básico (g/mz)

64

Densidad (g1cm3)

0,35

índice de rasgado (mN . m'/g)

3,14

índice de estallido (kPa . m2/g)

1,23

índice de tensión (N . m/g)

19,6

Brillantez (%)

40

Para elevar la brillantez de estas pulpas se han utilizado tratamientos superficiales con abrillantadores como el peróxido de hidrógeno, . rendimiento durante de esta forma no se pierde el proceso. En el rango de pulpeo quimimecánico (80 - 90 %), la soda fría realiza el ablandamiento del bagazo antes de la refinación, a un pH de 10 - 12, lo que ayuda a obtener fibras más flexibles y la separación de las mismas se efectúa, de forma tal, que no disminuyen sus propiedades de resistencia . En los procesos quimimecánicos, es importante la etapa de refinación, por cuanto ella decide la calidad final de la pulpa. De esta forma se ha comprobado, en la refinación de bagazo, la necesidad de utilizar alta consistencia (20 - 35 %) en la primera etapa, lo que evita cortes en la fibra, que afecten desfavorablemente sus propiedades de resistencia, que son de por sí bajas. La etapa final, en la cual se supone se desarrollen las propiedades de la pulpa, se efectúa a menos consistencia (10 - 15 %) . El rendimiento obtenido en este proceso es de 85 ± 1 %. En la tabla 119 se observan las propiedades físicas de la pulpa. La resistencia de las pulpas obtenidas por este proceso, es comparativamente más alta que la lograda a partir de maderas blandas en molinos de piedra . Para el bagazo se manifiesta, igualmente, si lo comparamos con pulpas mecánicas, que no han recibido ningún pretratamiento químico, lo que permite que se alcance un incremento de hasta 50 "io en las propiedades físico-mecánicas . Estas pulpas son usadas, fundamentalmente, en las mezclas para papel periódico.

TABLA 119 Propiedades físicas de la pulpa quimimecánfca de bagazo a la soda fría modificada Grado de molida (°SR)

65

Densidad (g/cm3)

0,337

índice de rasgado (mN " m'/g)

3,92

índice de estallido (kPa .mI/g)

1,12

índice de tensión (N .m1g) Elongación

21,6 1,3

(°h)

Calibre (mm) Brillantez

0,208 38

(°io)

Opacidad (°ia)

98,4

Coeficiente de dispersión específica (m'/kg)

44,0

Para elevar la brillantez de las pulpas crudas se utiliza el peróxido de hidrógeno o el hidrosulfito de sodio, que mediante un abrillantamiento superficial elevan la brillantez de la pulpa hasta los valores adecuados. La adición del peróxido se puede hacer en : a) La etapa de impregnación . b) La etapa de refinación . TABLA 120 Propiedades de las pulpas a la soda fría ahrillantadas en el refinador y la pulpa cruda Pulpa

abrillantada

Pulpa

refinador

cruda

en el

Grado de molida (°SR)

65

65

Peso básico (g/mz)

70,0

70,0

Densidad (glcm3)

0,337

0,402

índice de rasgado (MN .m'/g)

3,92

4,3

índice de estallido (kPa . m2/g)

1,12

1,27

índice de tensión (N . m/g)

21,6

31,4

Brillantez (9'0)

38,0

53,0

Opacidad

98,4

96,3

44,0

42,5

(°e.0)

Coeficiente de dispersión específico (m2/kg)

192

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

cuba de pulpa ref nada 4 % cans.

Fig. 90 Diagrama de flujo de la producción de pulpa quimimecdnica por el proceso a la soda fría, modificado .

Las investigaciones realizadas con bagazo han evidenciado, que la adición de peróxido en el refinador favorece el incremento de las propiedades de resistencia de las pulpas . En la tabla 120 se reportan los resultados de la pulpa abrillantada en el refinador. La figura 90 muestra el diagrama de flujo de una instalación para la producción de pulpa a la soda fría de bagazo . 4 Producción de pulpas de alto rendimiento por el proceso al sulfito 4.1 PROCESO AL SULFITO NEUTRO El uso de soluciones de sulfito para obtener pulpas para diversos fines data de 1880. En estos procesos se usa el sulfito de sodio, con adiciones de otros productos químicos, tales como : carbonato, bicarbonato, sulfuro y bisulfuro. La función de estos productos es de buffer o tampón, para regular el pH, neutralizar los ácidos que se producen en la cocción y mejorar las propiedades de resistencia de las pulpas . El mecanismo de reacción parece ser la sulfonación de la lignina, seguida de una hidrólisis ácida, que forma un ácido sulfónico soluble en

de

bagazo,

agua . El agente sulfonante es el ion SOL, paralelamente ocurre una disolución parcial de las hemicelulosas . Los pasos convencionales del proceso con madera son: 1 . Impregnación, a presión, del material fibroso con licor de cocción . 2. Etapa de cocción. 3. Etapa de refinación o reducción a pulpa del material cocinado . Teniendo en cuenta la morfología del bagazo, la impregnación se realiza con relativa facilidad, con soluciones a bajas concentraciones de sulfito y carbonato de sodio, en los rangos de pH neutro o ligeramente alcalinos, sin tampoco requerir altas presiones, temperaturas y tiempos . Este proceso se utiliza, fundamentalmente, para pulpas semiquímicas (rendimientos entre 60 y 80 %) y quimimecánicas (rendimientos entre 80 y 95 %), a causa de la gran selectividad que tiene el sulfito de sodio sobre la lignina, en estos rangos de rendimiento, esta característica lo hace mucho más apropiado para las materias primas con bajo contenido de lignina y alto contenido de hemicelulosas, como las maderas duras y el bagazo .

120 °C

4 100 so

40

0

10

20

30 40

50 60 70

80 90

100 110 120 130 140 150 160 110 160

Fig. 91 Influencia de la temperatura sobre las cantidades de reactivo absorbido.

f = 1ooa c

7,0

e

- Total

6,0 510

d-Tow

4,0 3,0

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0

_~.DIfudQn A7da1

°il, C03Na2 61611°°"y3635 0 IM %" r 2,5°1ó C03 Na 2

5

10

IS

20

T (min)

Fig. 92 Influencia de la concentración en la absorción y difusión de los reactivos químicos.

194

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

4.1 .1 Impregnación y cocción con soluciones de sulfito de sodio El estudio de la impregnación de las soluciones de sulfito en el bagazo, ha arrojado incrementos de la velocidad de reacción de 1,5 a 1,6 veces, con el aumento de 10 °C, en los primeros 60 min, y después de ese tiempo se observa poca influencia de la temperatura en la impregnación . Igualmente se ha evidenciado, con alta concentración de productos químicos al inicio, la absorción de 87 % en los primeros 5 min . También, las mayores velocidades de impregnación, se alcanzan en los primeros 5 min, haciéndose después prácticamente constantes . En la figura 91 se observa la influencia de la temperatura sobre las cantidades de sulfito y de carbonato absorbidas por la fibra. La impregnación ocurre en los primeros 5 min. En la figura 92 se aprecia la gran influencia que tiene la concentración inicial en la absorción y la difusión de los reactivos químicos, a me iida que la concentración inicial es mayor, aumenta la velocidad de reacción y se absorbe mayor cantidad de reactivo .

s

81E ew K

lis o

á

0

4.1.2 Pretratamiento En el ICIDCA se han realizado investigaciones, con diferentes pretratamientos para determinar : 1. Cinética de reacción y selectividad del pro. ceso . 2. Diseño de equipos continuos . 3. Tendencias tecnológicas fundamentales . Los resultados de estos trabajos demuestran que el rango de mayor eficiencia de extracción de lignina, en soluciones de sulfito de sodio, se encuentra entre 1 :6 a 1 :8 de hidromódulo, como se observa en la figura 93. En ésta se relacionan los gramos de lignina extraída por gramo de sulfito de sodio consumido, para dife. rentes hidromódulos y consumo inicial constante. En el segundo caso, para una concentración inicial de 8 g/1 constante, la eficiencia aumenta al aumentar el hidromódulo, porque aumenta

oconwno Ink . eta

N

lo c Z e

e

O

OConsumo Ink. oh.

001

0

__ o0

6 2,4 4 23 2 0 2,1 1,9

I 's

1,7 I's 1,5

1,4 13 1,2 1J 1 :4 1:5 14 1

1 :8

1 :10 -

:14

Hldmmó~

Fig. 93 Influencia del hidromódulo sobre la lignina extraída y la eficiencia de extracción, '

30

80

130.

180

240 T (min)

Fig. 94 Influencia de ta concentración de reactivos químicos y el tiempo de reacción sobre el rendimiento.

Fig, 95 Influencia de la concentración de sulfito de sodio sobre la velocidad de delignificacidn.

a N

N

0

Y

r

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2 .9 L

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O v Q d

197

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

el consumo inicial . En la figura 94 se presenta el rendimiento de la pulpa a diferentes concentraciones contra el tiempo de reacción, se puede observar que la concentración tiene gran influencia en el pretratamiento al sulfito neutro . Tam. bién se deduce que las mayores velocidades de delignificación ocurren en las primeras etapas del pulpeo . La selectividad del proceso al sulfito neutro con bagazo, ha sido investigada y sus resultados se han expresado mediante el diagrama de Ross, donde se demuestra que a mayor concentración de sulfito de sodio, aumenta la selectividad del proceso de pulpeo. En la figura 95 se muestra el diagrama de Ross . De los estudios cinéticos aplicados al sulfito neutro y a otras tecnologías como la soda fría, se han obtenido los valores de las constantes específicas de velocidad de reacción que se presentan en la tabla 122. TABLA 122

Proceso

Temperatura (0C)

Concentración Valor de la constante (g/l)

Soda fría

120

15

1,7 x 10 -4

Sulfito neutro

140

15

1,91 x 10 -°

La información de la tabla 122 demuestra, que la velocidad de reacción de la soda fría, es 10 veces mayor que la del sulfito neutro, a pesar de que los datos obtenidos para la soda fría se encuentran a una menor temperatura . Esta diferencia es aun mayor en las primeras etapas de la reacción, lo que pone al sulfito en posición poco ventajosa con relación a la soda fría para muy altos rendimientos, a temperaturas relativamente bajas y presión atmosférica . Sin embargo, en el rango semiquímico, hay que entrar a considerar este primer proceso por la brillantez, calidad y alto rendimiento de las pulpas obtenidas. 4.2 APLICACION DEL PROCESO AL SULFITO ALCALINO, EN LA OBTENCION DE PULPAS DE ALTO RENDIMIENTO, DE BAGAZO El sulfito, como se ha visto antes, es un producto químico muy utilizado en la obtención de pulpas papeleras, por los resultados en las propiedades de éstas . En el bagazo, específicamente, se han estudiado los rangos de sulfito neutro y alcalino para pulpas de alto rendimiento . En el proceso al sulfito alcalino se ha comprobado,

al igual que en el neutro, el menor requerimiento de productos químicos, así como la efectividad de la alcalinidad en el proceso de refinación, tanto en las pulpas semiqufmicas (rendimientos 65 - 80 %) como en las quimimecánicas (rendimientos 80 - 95 oio) . 4.2.1 Pulpas semiqufmicas En las investigaciones de la aplicación del sulfito alcalino, para la obtención de pulpas semiquímicas de bagazo, se han estudiado, como variables, la carga inicial de productos químicos, la relación sulfito-sosa en carga inicial, la temperatura y el tiempo de cocción . El aumento del porcentaje de productos químicos iniciales, favorece la difusión del reactivo, desplaza la reacción hacia la deslignificación o el pulpeo, aumenta la velocidad de reacción . A medida que se incrementa la carga de productos químicos iniciales se obtiene más altas propiedades mecánicas en las pulpas . En la figura 96 se observa la relación entre el rendimiento, residual, número de Kappa y longitud de rotura para 30 % de sulfito de sodio y 150'C. La relación sulfito/sosa, en la carga inicial, ha resultado una de las variables más importantes del proceso, por su influencia en la velocidad de reacción, la cual disminuye al incrementar la relación con un correspondiente aumento en el rendimiento . Con relación a la temperatura, los resultados han arrojado que, si se parte de altos porcentajes de productos químicos iniciales, a altas temperaturas, trae como consecuencia disminución en las propiedades de las pulpas . El aspecto de la elevación de, la temperatura, favorece la velocidad de reacción, esta tendencia se manifiesta igualmente con madera . El tiempo de cocción, sin embargo, tiene importancia durante los primeros 20 min, después no es significativo . Las pulpas semiquímicas al sulfito alcalino de bagazo, se han obtenido con 80 % de rendimiento, esto se logra en un amplio rango de porcentajes de sulfito en los productos químicos iniciales . En la tabla 123 se relacionan los valores estudiados en las investigaciones desarrolladas en el ICIDCA . El análisis de los resultados expuestos en la tabla 123 ha arrojado, que el sulfito alcalino es un producto adecuado para la obtención de pulpas de alto rendimiento, a causa de su selectividad, la cual puede ser aumentada o disminuida, moviéndose en todo el rango de alcalinidad . 4.2.2 Obtención de pulpas quimimecánicas al sulfito alcalino Las amplias posibilidades que tiene el sulfito alcalino para la obtención de pulpas papeleras,

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1

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I

1

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INIM1116,20111

Fig. 96 Relación entre rendimiento, dlcali residual, número de kappa y longitud de ruptura.

TABLA

123

Sulfito en productos químicos iniciales (%)

Productos químicos iniciales (%)

150

30

8,0

51

33,83

5,6

160

70

12,5

38

34,32

5,8

170

70

9,0

47

26,97

4,5

Temperatura ic)

Número Kappa

índice de tensión

(N .m/g)

índice de rasgado

(mN .ma/g)

INDUSTRIA DE CELULOSA

Y

ha inducido las investigaciones en el campo de pulpas quimimecánicas . La literatura especializada reporta los trabajos a escala de laboratorio, así como las instalaciones industriales, donde se utiliza el sulfito alcalino para obtener pulpas quimimecánicas, a partir de maderas duras, principalmente . En el ICIDCA, se han realizado estas investigaciones con bagazo ;/ las mismas han arrojado los resultados que a continuación se señalan . Los rangos estudiados para las variables fueron: Productos químicos (%)

6 - 8

Relación sulfito/sosa

70/30 y 50/50

Tiempo (min)

20 - 80

Temperatura (°C)

60 - 90

El pH se mantuvo en el rango entre 9 y 11 . En estas investigaciones se ha comprobado, corroborando lo planteado por la literatura para madera, que el medio alcalino para la refinación del bagazo, facilita el proceso y que se obtienen pulpas más resistentes . En la tabla 124 se presentan las propiedades de las pulpas obtenidas por el proceso al sulfito alcalino, las cuales son altas en cuanto a longitud de rotura y rasgado . Otra propiedad importante, la brillantez, es también alta; se observan pocas pérdidas en unidades de brillantez durante el proceso, comparado con el valor inicial de esta propiedad en el bagazo.

4.2.3 Clasificación en fracciones de pulpas mecánicas y quimimecánicas y propiedades de estas fracciones Conocer la composición fraccionel de las pulpas, tanto desde el punto de vista de la longitud promedio de las fracciones, como por el porcentaje y propiedades de las mismas, para observar la contribución de cada fracción a las propiedades de la pulpa entera, constituye uno de los aspectos más investigados en estos procesos de tipo mecánico, y se han convertido en análisis de rutina en la caracterización de las pulpas . Como es conocido, se puede considerar que las pulpas mecánicas están formadas por 2 tipos de fracciones, desde el punto de vista papelero, éstos son : fracción fibrosa, la cual contiene fibra larga entera, fibras cortadas y cintas desprendidas de la pared celular y la llamada fracción fina, formada por fibras muy cortas, más o menos fibriladas y fragmentos de pared. Por tanto, la resistencia de la hoja depende de la fracción de fibra, de la cantidad y calidad de finos producidos, y de la forma en la cual ellos se enlazaron . En la pulpa quimimecánica de bagazo, ambas fracciones difieren bastante de la pulpa mecánica convencional de coníferas, pero, fundamentalmente, en los finos que contienen porciones de fibras muy cortas, fragmentos de la pared de las fibras y, además, meollo y vasos . En la tabla 125 se expresan los resultados en peso de las fracciones de 2 pulpas quimimecánicas y la mecánica de bagazo .

TABLA 124 Propiedades de la pulpa quimimecánica al sulfito alcalino de bagazo Grado de molida (,SR)

0,374

Indice de rasgado (mN . m°/g)

4,3

Indice de estallido (kPa .mz/g)

1,34

índice de tensión (.N. m/g)

TABLA 125 Clasificación de pulpas de bagazo (determinadas a 65 *SR)

65

Densidad (g/cm3)

20,

v

74,5

Elongación (%)

1,6

Calibre (mm)

0,195

Brillantez (%)

44,6

Opacidad (%)

97,7

Coeficiente de dispersión específico (m2/kg)

199

PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

450,0

'

' yó ~

'21 n cv

'

z1 ÓÓ

`n E

.~ 0

R - 14

9,5

1,92

18,0

1,96

1,5

R - 28

17,9

1,56

12,0

1,70

3.9

R - 48

18,7

1,15

13,0

1,18

11,8

R - 100

18,7

0,78

17,0

0,85

12,6

R - 200

123

0,46

13,0

0,56

22,6

P - 200

22,6

27.0

41,6

TABLA 126 Propiedades físicas de las pulpas enteras y sus fracciones Pulpas enteras AS MS Densidad (9/cma) Indice de rasgado

(mN . m21g) Indice de estallido

R - 28 MS AS

R - 48 MS AS

R - 100 MS AS

0,374

0,195

0,188

0,243

0,250

0,258

0,257

0,294

0;295

0,342

0,393

3,92

4,3

4,41

4,90

3,04

3,92

2,35

3,53

2,25

3,72

1,47

2,25

9,2

5,4

6,9

61

8,8

8,1

8,1

9,1

0,88

0,98

1,9

3,9

5,8

6,7

9,8

8,82

11,76

0,350

0,288

0,280

0,260

0,284

0,248

11,1

13,4

Indice de tensión (N . m/g)

21,6

24,5

0,208

0,195

0,316

0,217

Brillantez (%)

38,0

44,6

28,6

32,0

33,0

36,0

35,5

37,7

37,0

Opacidad (%)

98,4

97,7

93,1

91,0

97,4

96 .0

97,4

96,1

97,5

m"

Coeficiente de dispersión (MI/kg)

44,0

45,0

229,3

213,9

331,8

323,6

368,0 . 388,1

419,3

402,8

Soda modificada Sulfito alcalino

R - 200 MS AS

0,337

(kPa .m9 /g)

Calibre (mm)

R-14 MS AS

40,4

20,5 0,1%

23,5 0,178

38,0

39,3

99,0

99,2

474,3

459,5

MS

MS

AS

AS

PERDIDAS ALMACENAMIENTO

Fig. 97 Balance de materiales, pulpa 9uimimecdnica blanqueada (soda fría modificada).

20 2

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

En la tabla 125 se observa que la fracción fibra larga de las pulpas quimimecánicas es superior, comparada con las pulpas mecánicas . En estas últimas, en cambio, se observa más elevada la fracción finos . En la tabla 126 se presentan las propiedades físico-mecánicas de 2 pulpas quimimecánicas y sus fracciones realizadas según normas SCAN M6, en un clasificador Bauer Me Nett . .En la figura 97 se muestra el balance de materiales para la producción de pulpa de alto rendimiento a partir de bagazo. Las pulpas quimimecánicas comparadas con las pulpas mecánicas, en general, se caracterizan por tener una fracción mayor de fibra larga, y la fracción fino fibrilada (tipo de fino que por sus características físicas contribuye al enlace entre fibras), lo que se corresponde con las propiedades de resistencia, tales como índice de tensión e índice de rasgado superiores, y menor coeficiente de dispersión (S).

En las figuras 98 y 99 se observan las fracciones retenidas en malla 48, de pulpas mecánicas y quimimecánicas y en las figuras 100 y 101, las fracciones de pulpas mecánicas y quimimecánicas retenidas en 100. El efecto del pretrata. miento con productos químicos, se hace evidente en el grado de fibrilización que presentan las fibras en las fracciones de pulpas quimimecánicas, resultando por ello más resistentes.

Fig.

Fig. 98 Pulpa mecánica

de

100

Pulpa mecánica de bagazo fracción R400 (microfotografía),

bagazo (microfotografía).

Fig.

quimimecánica al sulfito de bagazo, fracción R-100 (microfotografía) .

101 Pulpa

5 Pulpeo químico de bagazo NANCY FERNÁNDEZ RODRÍGUEZ

Fig.

99

Pulpa quimimecánica a la soda fría de bagazo (microfotografía) .

La pulpa química de bagazo se obtiene, industrialmente, a partir de procesos alcalinos, de modo particular por el proceso a la soda . Recientemente se ha demostrado que el pulpeo en medio ácido, utilizando sulfito, es aplicable

203

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

al bagazo con una calidad satisfactoria de la pulpa producida . En el caso de las maderas, el proceso de cocción predominante hoy día es el pulpeo kraft (sulfato), por ser prácticamente aplicable a todas las especies madereras y por las excelentes propiedades de resistencia de la pulpa producida . Si bien, en la actualidad, se desarrollan nuevos procesos de pulpeo que tienden a disminuir la presencia de compuestos de azufre, por sus consecuencias sobre la contaminación ambiental, entre otras ventajas, el pulpeo kraft sigue conservando aún la primacía en la obtención de pulpa química. En el caso del bagazo, las ventajas en la cocción del proceso al sulfato, con relación a la soda, son de menor magnitud . Este comportamiento del bagazo durante los procesos de pulpeo alcalinos, está muy vinculado a la ; características anatomomorfológicas del baga,.o y a la composición química de la lignina presente . En el caso de las maderas todos los autores coinciden. en que la cocción alcalina, en presencia de sulfuridad, acelera la velocidad de degradación y disolución de la lignina, sin modificar, de forma apreciable, la estabilidad de los carbohidratos. Esta reactividad de la lignina, en el

7,5

pulpeo al sulfato, se explica, si bien con cierta reserva, por la posibilidad de formación de episulfuros inestables que se fragmentan, lo que disminuye la posibilidad de condensación en los fragmentos de lignina aislados . La lignina de bagazo, en cambio, según los estudios ejecutados en el ICIDCA, por su comparablemente menor peso molecular (PM) (PM 3 500-5 200) y su elevada proporción de ácidos fenólicos y cadenas insaturadas, constituye una estructura relativamente reactiva al ataque hidrolítico y oxidativo del NaOH . A esto se une la mayor accesibilidad del reactivo en el caso del bagazo, que en las astillas de madera y un hinchamiento menos restringido . 5.1 PROCESOS DE PULPED A LA SODA Y AL SULFATO Tecnológicamente, se ha demostrado a través de estudios de selectividad de los procesos de pulpeo del bagazo, que las ventajas de la cocción al sulfato son de poca significación . La figura 102 muestra el efecto de la materia prima en la selectividad para la cocción al sulfato ; se observa, que en las primeras etapas de la cocción, el bagazo es la n.ateria prima más selectiva,

PROCESO

MATERIA PRIMA

SULFATO

BAGAZO

SULFATO

ABETO (MADERA SUAVE)

SULFATO

MAYA (MADERA DURA)

2,5

0

5

10

15

20

Fig. 102 Influencia de la materia prima en la distribución de producto.

aAL

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

204

con relación a la lignina, lo cual comprueba que en el bagazo la deslignificación ocurre desde las primeras etapas de la cocción . En orden de selectividad, siguien las maderas suaves y, por último, las maderas duras. Como se aprecia en la figura 102, a medida que la reacción transcurre, se observa que la selectividad (cantidad de material lignocelulósico extraído por unidad de lignina extraída) adquiere un valor mínimo e igual, aproximadamente, para las 3 materias primas. En la tabla 127 se muestran los resultados de la cocción con las tecnologías soda y sulfato, aplicadas al bagazo, en ella se puede apreciar que existe una diferencia pequeña, menor de 1 en el rendimiento, en favor de la pulpa al sulfato y que el número de Kappa obtenido para las mismas condiciones de pulpeo, es ligeramente inferior en el caso de la pulpa al sulfato. TABLA 127 Evaluación de la cocción de los procesos soda y sulfato aplicados al bagazo Pardmetro

Teenologfa Soda Sulfato

Rendimiento total (%)

61,7

62,1

Rendimiento clasificado (%)

57,1

57,4

No. permanganato

10,6

8,1

No. Kappa

21,6

14,6

Álcali activo residual (g/1) Grado de molida (5r)

3,15 45

3,85 45

Densidad (g/m°)

0,69

0,70

T, rasgado (mN .ms/g)

5,2

5,5

61,8

64,6

T. tensión (N-m/g)

Al evaluar ambas pulpas se ha observado (Fig. 103) que las pulpas al sulfato responden con mayor facilidad a la molida hasta 40* SR, esta tendencia se invierte para niveles superiores de molida . Con relación a las propiedades de resistencia de las pulpas crudas obtenidas, éstas guardan una estrecha vinculación con el régimen tecnológico empleado y con la preparación previa de la materia prima. En la tabla 128 se muestra la calidad del bagazo utilizado y sus propiedades, para pulpas a la soda de bagazo, a bajos niveles de molida .

TABLA 128 Calidades de bagazo utilizado en el pulpeo a la soda Muestras

Fibra (g)

Meollo (46)

Fino soluble

1

49,6

30,2

19,0

1

62,2

31,2

16,9

3

73,4

20p

7,5

4

87,6

8,8

10,3

5

96,2

4,5

En la preparación de pulpa a la soda, se ha utilizado bagazo con un contenido de fibra entre 48 y 90 %, con la calidad que se expone en la tabla 129. En ésta también se muestran los resultados obtenidos al aplicar el régimen de cocción a la soda (160°C, 10 min a la temperatura de cocción) . TABLA 129 Calidad de la pulpa producida (725CSF) Muestra

I

2

3

4

5

Fibra (%)

49,6

62,2

73,4

87,6

96,2

Álcali (% NaOH)

23

20

15

14

16

-

2,4

Alcall residual (8/1)

5,8

3,6

2,0

No. permanganato

8,2

8,4

8,7

8,5

8,7

Indice de rasgado (mN . m2/g)

3,8

4,8

4,6

5,7

S,7

26,5

32,4

33,3

33,3

Indice de tensión (N . mlg)

Los datos de la tabla 129 muestran que la fracción fibrosa del bagazo es más fácil de convertir en pulpa, necesita una adición más pequeña de sosa en la cocción y permite obtener, para un determinado grado de deslignificación, propiedades de resistencia muy superiores . A pesar de la similar composición química de las fracciones fina y fibrosa del bagazo, las diferencias físicas, constituyen un importante factor que se debe tomar en consideración durante los procesos de pulpeo.

IA

7,0

LT 7,0- 78,4 a

8Í%i 68,6

O

O

60, 0-

45

I RASGADO I ESTALLIDO 4

1 TENSION

4,0- 58,8-

SODA I RASGADO 0 I ESTALLIDO O

I TENSION

39, 2-

C 2P

29,4-

Fil 103 Propiedades ~me~ de las Pulpas soda y sulfato crudas, dw rante la molida.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

206

Estos resultados muestran la conveniencia de una adecuada preparación del bagazo para obtener una fibra que garantice un compromiso satisfactorio de la calidad de la pulpa y de aprovechamiento del bagazo por tonelada de pulpa producida . Trabajos desarrollados por diferentes autores han demostrado, que las características de las variedades de caña utilizadas, comercialmente, para la producción de azúcar, no constituyen una variable importante sobre los resultados del pulpeo, como lo son los parámetros de pulpeo. Las condiciones tecnológicas de obtención de la pulpa tienen una influencia importante en su calidad final. La tabla 130 resume los resultados obtenidos para el pulpeo a la soda de bagazo, utilizando diferentes condiciones según varios autores . TABLA 130

Condiciones de pulpeo y propiedades de resistencia de la pulpa producida con bagazo Temperatura ('C) 98

160

160

170

Indice de Tiempo de rasgado reaeci6n NaOH Rendimien(%) to (%b) CSF (mN . nV/g) (h) 1,0

1,5

0,2

0,2

8,0

74,2

500

3,00

1010

71,9

500

4,06

12,0

69,9

4,35

14,0

58,3

3,96

16,0

62,4

4,01

18,0

65,4

3,96

15,0'

61,7

10,5

15,6

60,0

59,3

La pulpa química de bagazo a la soda puede ser lograda con variadas condiciones de pulpeo, obteniéndose resultados satisfactorios con temperaturas que varían desde 98'C hasta 160 °C y la adición de NaOH desde 8 - 15,6 % . Como se muestra en la tabla 130, los rendimientos más altos se obtienen para las más moderadas condiciones de pulpeo, pero las propiedades de resistencia, como el rasgado y la longitud de ruptura, para niveles comparativos de molida, son pobres cuando las condiciones del pulpeo son suaves . Propiedades aceptables para la pulpa a la soda de bagazo se obtienen, utilizando de 10 - 12 % de álcali (Na2 0), temperatura entre 140 - 160'C y 10 min de cocción a la temperatura de trabajo . Con relación a la pulpa al sulfato, los resultados obtenidos en el ICIDCA han de-, mostrado, que una adición de 12 % de álcali activo (Na 20), una temperatura de 160'C y una sulfuridad en licor de 12 - 25 %, permiten obtener una pulpa de propiedades altamente satisfactorias . 5.1.1 Comparación entre los resultados de los procesos de pulpeo a la soda y al sulfato Si tomamos en consideración las notables diferencias que implica, tanto en los parámetros de operación como en las propiedades de la pulpa, la aplicación de los procesos a la soda y al sulfato a las maderas, es correcto afirmar que las diferencias entre estos procesos ele pulpeo aplicados al bagazo, son pequeñas . La pulpa al sulfato presenta una pequeña diferencia en el orden de 1 %, superior en el rendimiento crudo (Tab . 131), lo cual ha sido ratificado por diferentes fuentes . El proceso al sulfato también muestra una pequeña ventaja en el grado de deslignificación de la pulpa . Las propiedades de resistencia de la pulpa al sulfato cruda, son superiores ea 10 - 15 %, con relación a las pulpas a la soda, e igual sucede con la brillantez de la pulpa al sulfato blanqueada. Las propiedades químicas de ambas pulpas son muy similares, se destaca el mayor grado de polimerización de la pulpa final a la soda.

575

6,00

350

5,30

260

5,20

575

6,10

225

4,80

374

6,70

5.1.2 Operación comercial

200

5,00

Cuando se manipula bagazo de 85 % de fibra, en digestores continuos, es posible operar con 10 % de álcali activo sobre fibra (como Na20), para obtener una pulpa blanqueable, con un número de permanganato de 10 - 12. La concentración inicial del licor oscila entre 1,6 % y 1,7 %, para un grado de deslignificación de

El efecto de las condiciones de la cocción, en las propiedades de la pulpa a la soda, se muestran en la tabla 130, donde aparecen reportados resultados obtenidos por diferentes autores .

207

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO TABLA 131 Evaluación comparativa de las cocciones a la soda y al sulfato del bagazo Pardmetro de la cocción

Soda bagazo cubano

Soda bagazo Hawai

Sulfato bagazo cubano

Sulfato bagazo Hawai

160

170

160

170

Temperatura (°C) Hidromódulo Tiempo de cocción a la temperatura de cocción (min)

1,6

1,6

1,6

1,6

10-12

10

10-12

10

Consumo (°h Na2O)

12

12

12

12

Sulfuridad (%)

-

-

15

25

Rendimiento crudo total (aio)

61,7

54,3

62,1

54,8

No. permanganato

10,6

11,5

8,1

11,8 -

Resultados, de la cocción

Alcali activo residual (9/1)

3,15

-

3,85

Lignina (%)

3,30

-

2,23

Propiedades de las pulpas (CSF) 350 Indice rasgado (MN . M2/g)

índice de tensión /g) Indice de estallido (kPa . m2/g)

200

350

de madera y reducir los consumos de álcali, tratando así de disminuir los costos de inversión inicial de la industria en 20 %, al no justificarse la planta de recuperación. Este proceso de pulpeo aplicado a la madera en varias etapas, permite obtener una pulpa de calidad comparable a la obtenida por el proceso al sulfato . En el caso del bagazo, la principal limitación de este proceso de pulpeo la constituye el elevado contenido de iones metálicos, fundamentalmente de hierro (> 143 ppm) lo cual afecta, considerablemente, la viscosidad de las pulpas crudas que presentan una despolimerización considerable de la celulosa, aun en presencia de cantidades adecuadas de inhibidores de magnesio y muy suaves condiciones de pulpeo : Esta conducta es válida también para el factor de rasgado . Los datos de la tabla 132 muestran este efecto del pulpeo oxígeno-álcali sobre la resistencia de la pulpa cruda . Se observa, también, la mayor selectividad de la pulpa al sulfato de bagazo con relación a la pulpa soda-oxígeno . TABLA 132 Resultados del pulpeo del bagazo por el proceso sodaoxígeno . Comparación con otros procesos de pulpeo Pulpa a la Pulpa Pulpa Pulpa sodaa la a la -oxtge. soda al soda sulfato no AQ

200

5,3

5,0

5,8

6,2

61,8

83,3

69,6

81,4

4,5

2,7

4,4

3,1

87 vio . La relación líquido-sólido en el digestor debe ser de 1,5. El rendimiento de la pulpa no lavada será de 55 - 60 oio, si la temperatura no excede 160T y el tiempo de reacción es de 30 - 60 min. 5.2 NUEVOS PROCESOS DE PULPEOS ALCALINOS APLICADOS AL BAGAZO 5 .2.1 Pulpeo del bagazo con oxígeno Los trabajos de pulpeo con oxígeno en medio alcalino, se aplican a las especies de madera desde finales de la década del sesenta, y han tenido como objeto fundamental, la posibilidad de disminuir la contaminación, preservar las propiedades ópticas y de resistencia de las pulpas

Viscosidad (mPa .s)

34,0

-

10,0

37,2

Lignina (°ro)

4,6

3,2

4,6

3,8

No. Kappa

26,5

18,0

-

-

Brillantez Elrepho

38,0

44,0

37,5

35

Indice de tensión (N . mlg)

48,0

56,8

42,2

52,9

5,4

6,3

4,7

5,3

Opacidad (°h)

95,9

-

94,3

96,3

Rendimiento crudo (°.6)

589

59,2

64,3

649

Indice de rasgado (mN . m2/g)

CSF

400

400

400

400

La baja selectividad del pulpeo soda-oxígeno tiene su fundamentación en el ataque simultáneo del material carbohidrático, producto del alto contenido de iones metálicos presentes en la materia prima. Las restantes propiedades de

208

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

resistencia no son afectadas, apreciablemente, por este proceso de cocción . 5.2,2 Pulpeo soda-antraquinona La incorporación de aditivos a los procesos alcalinos para acelerar la desligmficaciórr, se ha llevado a cabo desde décadas pasadas, se ha comprobado el efecto de las aminas y los polisulfuros, así como de otros componentes heterocíclicos. En 1972, Boch y Fiehn reportaron que las sales de antraquinona daban incrementos de los rendimientos de pulpeo a la soda y al sulfato, cuando se utilizaban como aditivos y, en 1976, Halton y Fairington descubrieron, independientemente, que la antraquinona era un aditivo eficiente que producía altos rendimientos y rápidas velocidades de deslignificación. Pequeñas cantidades de antraquinona pueden acelerar el pulpeo a la soda a un nivel similar al de las pulpas al sulfato . Las pulpas soda-antraquinona se caracterizan por su incremento en el rendimiento total, la reducción en el consumo de energía necesaria en el pulpeo y el incremento en la productividad de la planta de celulosa . Los estudios de pulpeo de bagazo, utilizando soda-antraquinona, ejecutados en el ICIDCA, han demostrado que a partir de 140°C, es posible obtener pulpas, que por su rendimiento y número de Kappa, resultan francamente químicas, con pequeñas adiciones de antraquinona

que no rebasan 0,5 % y una reducción de 20 en la adición de NaOH al pulpeo . Los trabajos ejecutados han demostrado, también, que el proceso soda-antraquinona es altamente selectivo y que ocupan el primer lugar, con relación al parámetro de selectividad ¿nsR/iL, seguido del proceso al sulfato y, por último, del proceso soda-oxígeno (Fig. 104) . En la tabla 132 se presentan los resultados comparativos de diferentes procesos de pulpeo alcalino, destacándose de forma integral la pulpa soda-antraquinona, por sus propiedades ópticas y físicas, por sus cualidades de resistencia y su rendimiento, obtenida con un proceso mucho más eficiente, con un ahorro considerable de NaOH (25 %), a temperaturas de 120 - 140 °C y pequeñas adiciones de antraquinona . La experiencia acumulada en pruebas realizadas en las plantas pilotos del ICIDCA y a nivel semicomercial, garantizan que el proceso soda-antraquinona, aplicado al bagazo, tiene amplísimas perspectivas de desplazar, en un futuro inmediato, al proceso soda tradicional . 5.3 PROCESOS DE PULPEO EN MEDIO ACIDO Desde finales de la década del cincuenta, la literatura reporta trabajos para la obtención de pulpas químicas de bagazo en medio ácido. Captein, Knapp y Weltern (1957), cocinaron bagazo

n,0-

2,0

LEY EN0A - SOM-ANTMOUINONA - - - SULFATO

% Lp

Fig 104 Selectividad de ta cocción de los procesos al sultalo y a la soda-AQ.

0

209

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO por el proceso bisulfito a valores de pH desde 3,5 a 7. Según estos autores las pulpas así 1ogradas son inferiores a las pulpas de bagazo obtenidas por el proceso sulfito-neutro, especialmente en el factor de estallido en 14 %, en el factor de rasgado en 18 % y un número de permanganato muy superior a 95 % . Se adicionaba la desventaja de los largos tiempos de cocción requeridos (4 h) para la obtención de una pulpa de buenas propiedades . Otros autores reportan propiedades poco satisfactorias para las pulpas ácidas de bagazo . Los trabajos ejecutados en el ICIDCA, en este campo, han demostrado, que el proceso de pulpeo al sulfito es aplicable al bagazo, con una calidad satisfactoria de la pulpa producida, comparable a la pulpa obtenida utilizando procesos alcalinos . Los estudios ejecutados con relación a la sulfonación de la lignina de bagazo, demuestran que el proceso de cocción al sulfito es aplicable al bagazo cuando se utilizan 2 etapas de tratamiento . Una primera etapa en la cual deben ser saponificados los grupos ésteres que dificultan el ataque de los grupos sulfónicos a la lignina y una etapa posterior de cocción al sulfito . En la tabla 133 se presentan los resultados obtenidos para diferentes cocciones al sulfito de bagazo, los cuales se comparan con la cocción a la soda. Como muestran los resultados de la tabla 133, la pulpa al sulfito de bagazo obtenida en el proceso pretratamiento alcalino-cocción al sulfito, permite obtener pulpas de superiores propiedades físicas, ópticas y de resistencia, con un rendimiento total superior en 10 % a la pulpa a la soda. Un aspecto interesante de la pulpa al sulfito de bagazo es su elevada brillantez y su fácil TABLA 133 Resultados de la cocción al sulfito de bagazo Pulpa sulfito

Pulpa soda

40,0

34,0

Ugnina (%)

4,5

4,6

No. Kappa

41,0

26,5

Brillantez Elrepho

47,0

38,5

5,4

5,4

Indice de tensión (N . m/g)

59,8

48,0

Rendimiento total

68,0

58,0

Viscosidad (mPa . s)

Indice de rasgado (mN .

CSP

M2/g)

400

400

blanqueabilidad con relación a otras pulpas . El proceso de blanqueo, con 70 - 80 % del tiempo utilizado normalmente, se completa con la preparación de pulpas blancas . Este tipo de producción se puede considerar con un futuro importante, en la producción de celulosa de bagazo, para la fabricación de ciertos tipos de papeles que requieren de un elevado contenido - de hemicelulosas, especialmente, en momentos donde los subproductos de estos procesos pueden ser recuperados de forma eficiente o comercializados para usos varios, como son los lignosulfonatos, cuyo valor comercial es comparable al de la pulpa producida, y elevados rendimientos de proteínas, de gran valor como alimento a partir de los licores . 5.4 TECNOLOGÍA DE PRODUCCION DE PULPA 5.4.1 Tratamiento químico Por sus características, el bagazo desmedulado es pulpeado, normalmente, en un digestor convencional de 2 tubos, tipos Pandia o Defibrator, donde es pulpeado a 7,5 atm y a una temperatura de 160 - 170'C, con un tiempo de retención promedio en el digestor de 10 - 15 min. Después de la cocción la pulpa cruda, con un rendimiento total de 55 %, es enviada al tanque de soplado . Los vapores separados de la pulpa en el tanque de soplado se condensan en un condensador, donde se adiciona agua fresca (Fig . 105) . La pulpa cruda se lava en 3 etapas, con filtros al vacío colocados en serie . Antes del primer filtro de lavado, la pulpa es diluida a una consistencia de 1,5 %, abandonando el filtro a una consistencia de 12 % . La capacidad de lavado para pulpas químicas de bagazo, depende de varios factores como son : la eficiencia requerida, características de los licores que se van a evaporar, condiciones del bagazo utilizado como materia prima, grado de molida y grado de cocción. El licor resultante del primer filtro se envía a la planta de recuperación. Después del tercer filtro la pulpa se envía a un tanque almacén y a una consistencia controlada de 2.5 aia se bombea para ser clasificada . La pulpa lavada, generalmente, es clasificada en 2 etapas utilizando coladores centrífugos del tipo Cowan, la segunda etapa la forman coladores planos vibratorios . La pulpa aceptada se diluye a 0,6 °ia de consistencia y se envía a la primera etapa de depuradores centrífugos que, generalmente, son instalados en 3 etapas en cascada . Las fibras aceptadas en el clasificador de rechazos secundarios, se recircitlan al proceso de clasificación . La pulpa aceptada de la primera etapa de depuración se espesa y

AGUA

FRESCA

DIGESTION CLASIFICACION

0

Fig . 105 Diagranm de /lujo para la

producción de pulpa blanaueada de bagazo.

AGUA

FRESCA

A PAPEL

21 0

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZüCAR

se envía a la torre almacén de pulpa lavada, con un rendimiento aproximado de 53 DiD, en pulpa lavada y clasificada . Posteriormente, la pulpa es enviada a la planta de blanqueo donde puede ser sometida a una secuencia de blanqueo de 2, 3 ó 4 etapas, combinando cloro, hipoclorito, peróxido o dióxido de cloro, en secuencias diferenciadas, en dependencia de las características y usos a la que será destinada la pulpa y del compromiso más económico, integralmente, al proceso . Las particular-f-

dades del blanqueo de la pulpa de bagazo se discutirán más adelante en este capítulo . El rendimiento de pulpa blanqueada referido a bagazo integral es, generalmente, del orden de 30 DiG . La figura 106 muestra el balance de producción de la pulpa química blanqueada a partir del bagazo . 5.4.2 Lavado de la pulpa blanqueada Las propiedades de filtración de la pulpa de bagazo son 60 DIG de las propiedades de la pulpa

3 333 k9 BAGAZO INTEGRAL

DESMEDULAMIENTO PRIMERA ETAPA MEDULA A CALDERA BAGAZO DESMEDULADO 2 500 k9

ALMACENAMIENTO 125 k9 2 375 k9

DESMEDULAMIENTO SEGUNDA ETAPA

275 k9

2 100 k9

PULPED 944 k9

I 156 k9

LAVADO CLASIFICACION Y DEPURACION

46 k9

I 110 k9

BLANQUEO PULPA BLANQUEADA 1 000 k9

Fig. 106 Diagrama de rendimientos, pulpa química blanqueada.

633 k9

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

de coníferas . A pesar de las bajas propiedades de filtración, es necesario utilizar malla fina en los filtros (40 mesh/in), minimizar la concentración de fibras en el licor y reducir las pérdidas de pulpa. La capacidad de diseño de los filtros, para esta pulpa, debe estar entre 1,8 a 2,0 t/m2/d, lo que permite el tiempo necesario para la limpieza de la malla. Invariablemente, se utiliza lavado a contracorriente, usando 3 filtros en serie. La cantidad de agua que se adiciona, en la tercera lavadora, debe estar en el orden de 11 000 a 11 300 kg/t de pulpa, lo que representa un factor de dilución de 2,3 a 2,4, en base pulpa seca y con esto se logra 10 % de sólidos totales en el licor negro débil que va a evaporadores . La eficiencia de lavado que se logra será de 96 %5.5 TECNOLOGIA DE RECUPERACION DE LICOR NEGRO 5.5.1 Evaporación del licor negro Algunas de las instalaciones existentes, operan torres de oxidación para convertir sulftitos y tiosulfatos presentes en el licor negro débil, en sulfatos estables, esto disminuye las pérdidas de vapores sulfurosos (mercaptanos) en el licor que se va a evaporar y disminuye la corrosión en los tubos de la calandria. Es una práctica usual, instalar un quíntuple efecto para concentrar el licor débil hasta 40 % de sólidos, con un sistema a contracorriente para economizar vapor. El último cuerpo de la unidad múltiple es conectado a un condensador (jet) y a 2 etapas de eyectores . Este condensador y los eyectores de vapor, operan vapores condensables y no condensables, que salen del último efecto, así como los vapores no condensables purgados de las calandrias de los 5 cuerpos, y mantienen un vacío de 27 - 28 in de Hg. A la calandria del primer efecto se alimenta vapor de proceso de 3,5 kg/cmz (manométrica) y el consumo de vapor por tonelada de pulpa estará en el orden de 1 600 kg. Cuando la operación de los evaporadores es controlada, las pérdidas de reactivos en evaporadores, representan sólo 0,5 % del total y la cantidad de licor negro concentrado (40 % sólidos totales) que va a la caldera estará en el orden de 2 140 kg/t de pulpa no blanqueada . La caldera de recuperación y sus auxiliares constituyen el centro de proceso de recuperación y su operación determina la economía de la fábrica . La más pequeña capacidad desarrollada para la industria de la madera tiene un horno de cerca de 10 m2, capaz de procesar cerca de 5 800 kg1h de sólidos (char), para una eficiente combustión y conversión de los sólidos en inorgánicos.

Muchas de las plantas de pulpa de 60 - 70 t/d deben tener mayor capacidad, previendo una futura ampliación . La caldera de vapor está diseñada para un incremento de capacidad de 14 t/h, a 40 kg/cnt2 y 400°C. El evaporador de cascada puede manipular 5 t/h de agua evaporada. Este sobrediseño trae serias dificultades en muchas plantas de bagazo que producen, justamente, la mitad de los sólidos totales de diseño . Si la caldera y sus auxiliares están operando a su verdadera capacidad, la correspondiente producción de pulpa, a la salida del tanque de soplado, debe ser del orden de 6,7 t/d. La cantidad disponible de licor negro de la estación de evaporación es de 14 338 kg/h, a 40 % de so¡¡dos, cuando éste pasa por la parte inferior húmeda del precipitador electrostático, a través de los recuperadores y el evaporador de cascada, alcanza 63 % de sólidos totales y un flujo de 10 660 kg1h y entra, finalmente, al tanque de mezcla donde es fortificado con la reposición de 235 kg1h de sulfato de sodio comercial (35 kg Na2SO4/t de pulpa) y pasa por la zona de deshidratación del horno. Suponiendo 10 oio de exceso de aire, se necesitan 30 000 kg1h de aire total para la operación de la caldera. La recuperación de calor es, aproximadamente, 46 % del calor de los gases de combustión. La capacidad de generación de vapor es del orden de 13,8 t/h a 40 kglcm2 y 400 °C . La cantidad de gases secos que abandonan el precipitador de cascada asciende a 46 320 kg/h, con una concentración de polvo de 2,1 %, del cual 91 - 92 aio son recuperados . Las pérdidas de sodio y azufre son del orden de 80 kg/h, en términos de sulfato de sodio. La lava recuperada asciende a 1723 kg1h y su composición es la que se expone en la tabla 134. TABLA 134

Composición de la lava Componentes como tal

(40)

47,74

-2,75

277,15

16,15

1289,66

74,95

Sulfato de sodio

22,33

1,20

Suffito de sodio

11,14

0,60

Sólidos suspendidos

75,00

4,35

1723,01

100,00

Hidróxido de sodio Sulfuro de sodio Carbonato de sodio

Total

21 2

LA

INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA

Del análisis expresado en la tabla 1 .34 se deduce que la reducción en el horno es de 96,5 oio . Prácticamente, no es necesario combustible suplementario a causa del alto contenido de elementos orgánicos en los sólidos del licor negro.

TABLA

5.5.3 Resumen de las pérdidas . Eficiencia de recuperación Las pérdidas totales para esta tecnología ascienden a 34,6 kg/t de pulpa, en el tanque de soplado, que corresponde a una eficiencia de re-

135

Distribución de pérdidas por áreas

5.5.2 Planta de caustificación La lava del horno es granulada y disuelta, utilizando licor blanco débil de la estación de caustificación, en una razón de 1,25 veces el peso del licor de cocción necesitado en digestores . La producción de licor verde es de 14 875 kg/h, con 0,5 4ó de sólidos suspendidos que deberán ser eliminados en un clarificador de licor verde, de donde salen a 10 % de consistencia en los fangos . Estos fangos son lavados, a contracorriente, para recuperar los productos químicos disueltos. El licor verde clarificado, en un orden de 14 200 kg/h, se alimenta al apagador de cal, después de pasar por un calentador indirecto para subir la temperatura a 80 °C. El consumo de cal se basa en que no más de 85 % del carbonato de sodio, más un exceso de 10 "iu corresponden a una demanda de 740 kg/h o 111 kg/t de pulpa. El apagador (slaker) está diseñado para un tiempo de retención máximo de 10 - 12 min . El licor de éste que contiene hasta 4,5 % de sólidos suspendidos, es procesado en los causticadores diseñados para un tiempo de retención máximo de 60 min . La suspensión que sale de los causticadores es del orden de 15 256 kg/h con 1 056 kg/h de sólidos (7 % en peso) y 1 557 kg/h de reactivos solubles, pasan al clarificador del licor blanco . Los fangos de este clarificador son del orden de 30 % y el licor clarificado es de un orden de 11 725 kg/h . A veces esta corriente es pasada por un recausticador, con un tiempo de retención de 10 - 15 min . Un lavador de fangos a contracorriente procesará los fangos provenientes del recausticador . Los fangos de este equipo son muy compactos, con 30 °ó de sólidos suspendidos en una corriente de 3 877 kg/h y son procesados en un filtro rotatorio para aumentar la eficiencia de la planta . Este filtro procesa 3 t/m 2 /d. La torta del filtro sale a 40 % de sequedad, hacia el posible horno de cal. Las pérdidas totales en causticación son del orden de 42 kg/h, en términos de sulfato de sodio, y el consumo de agua de la planta es de 16 t/h .

DE AZOCAR

área 1 En digestores

Pérdidas de reactivosentír. minos de sulfato de sodio

(kg/h)

(kg/t)

9,28

1,37

92,80

13,70

9,28

1,37

2

En lavadoras

3

En evaporadores

4

En la caldera

80,0

11,94

5 En causticadores

42,16

6,29

233,52

34,67

Total

cuperación global de 90 % . La distribución de las pérdidas por áreas se presenta en la tabla 135 . 6 Producción de pulpa para disolver a partir del bagazo La rápida disminución de las reservas made. rables y el incremento de utilización de fibras sintéticas, en la industria textil, durante los últimos 15 a, han detenido, prácticamente, el crecimiento de la producción de pulpa para disolver en el mundo. Sin embargo, las fibras celulósicas, producidas, tanto natural como artificialmente, son las más utilizadas en la producción textil mundial . Existen tendencias recientes de utilización de maderas duras en la pulpa para disolver, a causa de la escasez de las reservas de coníferas. Es inevitable que las fibras no maderables entren a representar un papel importante en aquellos países gravados por fuertes importaciones de algodón, fibras de viscosa o pulpa para disolver . En los países productores de azúcar, el bagazo ocupa una posición ventajosa, ya que es un residuo que se quema en los hornos, como combustible de bajo valor calórico . En muchos países se pueden obtener de 8 t a 10 t/ha . Teniendo en cuenta las pérdidas normales en la preparación del bagazo, para su industrialización se podrían destinar a la producción de pulpa para disolver, de 5,a 6 t/ha de fibra mejorada, que comparado con los rendimientos de 2,5 t/ha, en el caso de los bosques de coníferas, es más ventajosa. Es obvio, que los países que cuentan con bagazo, deben tener los conocimientos técnicos y científicos necesarios para convertirlos en productos más últiles, como la producción de fibras textiles, producción de carboximetilcelulosa, celulosa

213

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

microcristalina, celofán y otros derivados de elevado valor comercial. 6.1 OBTENCION DE PULPA PARA DISOLVER POR PROCESOS ALCALINOS 6.1.1 Proceso de prehidrólisis al sulfato La cantidad óptima de hemicelulosas permisibles en pulpa para disolver, para la producción de viscosa, es, aproximadamente, de 2 % . Proporciones mayores disminuyen el contenido de cenizas en la pulpa final, ya que se forman coloides indeseables, durante le xantación, que causan pobre filtrabilidad de la viscosa . El tratamiento de la prehidrólisis debe ser lo supuestamente enérgico para eliminar, por lo menos, 75 % de las hemicelulosas, sin causar una excesiva degradación de la celulosa presente . En esta etapa, la reactividad, filtrabilidad y la composición química, están, prácticamente, decididas, ya que el resto del proceso no puede eliminar las consecuencias de un posible daño a ésta en la etapa de prehidrólisis, cuyos objetivos fundamentales son: a) Eliminar 75 % de las hemicelulosas presentes . b) Evitar excesiva degradación de la celulosa.

vación de la celulosa presente, obteniéndose una fibra prehidrolizada, con un alto contenido de -celulosa (84 - 86 %) . 6.2 COCCION Durante la cocción se remueven cantidades sustanciales de lignina y hemicelulosas presentes en la fibra prehidolizada, obteniéndose la celulosa para disolver no blanqueada, cuyas propiedades se demuestran en la tabla 136. TABLA 136

Características de la celulosa para disolver, de bagazo no blanqueada No, permanganato 7 .9 Contenido de a-celulosa (%) 85-88

Pentosanas (°k) Lignina (%)

2-5

2 .3

Cenizas (°r6)

0,4

Sílice (ppm)

526 1130

GP

Rendimiento clasificado (%)

33,5

c) Disminuir el contenido de cenizas . El contenido de pentosanas, al final del tratamiento, es de 5 a 6 %, con un rendimiento de 70 - 72 % . Por las propiedades físicas del bagazo, en la prehidrólisis, se requiere una alta relación líquido-sólido que va desde 6:1 hasta 10:1, ya que a bajos hidromódulos surgen muchas dificultades, a causa de las reacciones de condensación del furfural y de la lignina . En la prehidrólisis acuosa del bagazo, la alta temperatura favorece la liberación de los grupos acetilos de las hemicelulosas, así como la liberación de ácidos fenólicos de la lignina del bagazo, fundamentalmente, en forma de ésteres los cuales son hidrolizados fácilmente, disminuyendo el valor del pH- del medio hasta pH 3, al finalizar la prehidrólisis. La hidrólisis, en medio ácido, también ha sido estudiada, utilizando ácido sulfúrico a un pH entre 1,8 y 2,0, lo que trae como consecuencia tiempos más cortos de reacción. La prehidrólisis acuosa del bagazo se realiza a 170'C, durante 2 h, para lograr un nivel de 5 - 6 % de pentosanas, demostrándose que la prehidrólisis acuosa en el caso del bagazo, a causa de las características anatomomorfológicas de éste y por la naturaleza de sus componentes químicos, permite obtener una mayor preser-

Como se observa en la tabla 136, la cocción óptima para este tipo de pulpa debe disminuir el número de permanganato hasta un valor d 7 - 9, obteniéndose un valor para el grado de polimerización (GP) promedio, cercano a 1000, lo que garantiza un blanqueo bien controlado. 6.3 PROCESOS ÁCIDOS 6.3.1 Cocción nítrica . Proceso BANAC La disminución de los costos de producción. del ácido nítrico y la posibilidad de utilizar la nitrolignina obtenida como producto secundario del proceso, como producto comercial de elevado valor y amplio uso en diferentes industrias, coloca el proceso nítrico, nuevamente, en una posición ventajosa en la producción de celulosa para disolver. El proceso BANAC permite la obtención de celulosa para disolver a partir del bagazo, que puede ser utilizada en la producción de rayón e hilaza textil. Este proceso se fundamenta en In adición del ácido nítrico sobre los componente del bagazo, con el fin de preparar la fibra para un tratamiento posterior con hidróxido de so-

214

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

dio . La primera etapa consiste en la nitración v la segunda en la extracción alcalina. Durante la nitración, el bagazo se trata con ácido nítrico con una concentración de 3 - 5 %, a una temperatura de 80 - 90°C. La hidrólisis de las pentosanas del bagazo, en presencia de ácido nítrico diluido, se describe a través de la hidrólisis de 2 tipos de pentosanas que reaccionan en paralelo e irreversiblemente . El bagazo extraído con ácido nítrico se procesa con una solución de hidróxido de sodio, produciéndose, fundamentalmente, la disolución de la nitrolignina y de las pentosanas residuales. Los parámetros de operación tecnológicos para la producción de celulosa para disolver por el proceso BANAC se muestran en la tabla 137 . TABLA 137 Parámetros y, propiedades de la celulosa para disolver proceso Banac Parámetros

Nitraeión

Extracción alcalina

Concentración de reactivos (oio)

3-5

2-3

Temperatura (°C)

80-90

80-90

Tiempo (min)

90

60

Consumo productos (%) 22 N0,11/pulpa

36 NaOH/ /pulpa sin recuperación

Rendimiento clasificado sobre bagazo desmeollado (vo) 65

35

celulosa (94) Pentosanas (9'0)

99

2,5

Cenizas (oio) GP

2,5 0,1

1240

7 Abrillantamiento de las pulpas de tipos mecánica y quimimecánica de bagazo NANCY FERNÁNDEZ RODRÍGUEZ Las pulpas mecánicas y de tipo mecánicas de bagazo, son abrillantadas con agentes abrillantadores convencionales, como los hidrosulfitos, los peróxidos, el hipoclorito y otros agentes oxidantes o reductores, que producen un incre-

mento en la brillantez de la pulpa, sin afectar, considerablemente, el rendimiento final . Su acción se concreta, de manera fundamental, al ataque de los grupos cromofóricos de la lignina, convirtiéndolos en estructuras no coloreadas. Estas transformaciones no son generalmente estables y las pulpas abrillantadas tienden al amarillamiento con el envejecimiento, manteniendo, aun en las mejores condiciones, una tonalidad amarillenta peculiar. En el caso del bagazo el abrillantamiento es una operación imprescindible, posterior a los tratamientos químicos, mecánico, quimimecánico o termomecánico . La baja brillantez de las pulpas crudas no permite, como en el caso del abeto o de algunas variedades de pino, producir una pulpa cruda cuya brillantez inicial sea suficiente para la fabricación de papel periódico . Actualmente, la pulpa abrillantada encuentra gran aplicación, no sólo en la fabricación de papel periódico, sino como componente importante en las formulaciones de papeles culturales, por su inferior costo y sus excelentes propiedades de impresión . En el caso del bagazo, la utilización de pulpa abrillantada permite, adicionalmente, sustituir, en las formulaciones papeleras, una parte del componente importado de fibra larga. Un aspecto de especial atención lo constituye, disponer de pulpas de alto rendimiento de diferentes niveles de brillantez, para múltiples propósitos que van, como hemos explicado, desde la fabricación de papel periódico hasta los papeles para libros de ciclo corto, libretas, sanitario y otros. Uno de los factores de mayor importancia, en el abrillantamiento de la pulpa de bagazo, es la brillantez inicial de la pulpa cruda . Las pulpas crudas que presentan una baja brillantez serán pobremente abrillantadas por los reactivos, sean éstos oxidantes o reductores . Si bien es cierto que el incremento de brillantez se hace más acentuado con las pulpas más pardas, la brillantez final alcanzada será también inferior y, de hecho, todos los estudios efectuados con pulpas de bagazo de alto rendimiento, muestran que ésta es la variable de mayor influencia en el valor final de la brillantez. La brillantez inicial de la pulpa incide, además, de forma importante, en los consumos de reactivos que serán necesarios aplicar para llevar la brillantez final a valores aceptables, por eso el abrillantamiento de las pulpas, en el caso del bagazo, es una etapa del proceso muy vinculada a las operaciones de almacenamiento y preparación del bagazo y la pulpa. 7.1 PEROXIDO DE HIDROGENO En el caso del abrillantamiento con peróxido de hidrógeno, a los aspectos generales explica-

215

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO dos anteriormente, se suman el efecto que la alcalinidad y la temperatura del blanqueo ejercen sobre el tiempo de retención . Las altas temperaturas y la mayor adición de sosa aceleran la reacción y pueden, en corto tiempo, completar el blanqueo . En la tabla 138 se presenta la influencia que la temperatura, la sosa y el peróxido aplicado, así como la brillantez inicial de la pulpa sin blanquear, tienen sobre la brillantez final. TABLA 138 Influencia de las condiciones del abrillantamiento en

la brillantez final (Bf)

T(h)

Bf

Temperatura ('c)

Brillantez NaQH (%) inicial

2,6

42

60-70

30

1-2

1,0

2,6

50

60-70

40

1 .2

1,0

2,5

62

60-70

50

1-1,5

1-1,5

6,0

58

60 70

50

0,5

1,5

H202 (%)

Para el abrillantamiento de pulpas de alto rendimiento de bagazo con peróxido de hidrógeno, es recomendable utilizar una temperatura que no sea inferior a 60 °C y consumos de sosa que garanticen el completamiento de la reacción en un tiempo que se aproxime a las 2,5 h. El ren-

dimiento del blanqueo, en estas condiciones, es de 92 - 95 % . El resultado del abrillantamiento con peróxido, cuando se ha realizado adecuadamente, repercute en un incremento de la brillantez del papel, sin afectar, de modo importante, las propiedades de resistencia alcanzadas por la operación de preparación previa de la pulpa, la opacidad y el valor del coeficiente de dispersión. El peróxido se destaca por su elevado incremento de brillantez y baja reversión de color, en comparación con otros agentes de abrillantamiento utilizados (Tab. 139) . Es importante, en cambio, encontrar un grado de compromiso satisfactorio entre el nivel de preparación de la pulpa y las propiedades deseadas. Si bien es cierto, que la presencia de sosa favor rece la refinación y eleva las propiedades de la pulpa final, la brillantez, por esta causa, puede caer hasta 8 unidades . La solución más adecuada al problema será la que permita la economía integral del proceso para la calidad del papel requerido . La figura 107 muestra el diagrama de flujo para el abrillantamiento con peróxido, utilizando pulpa quimimecánica de bagazo en las instalaciones del Proyecto Cuba-9. 7.2 HIDROSULFITO DE SODIO Los resultados de estos estudios, empleando bagazo, demuestran que, un resultado aceptable para la brillantez final se obtiene utilizando una temperatura entre 70 - 80 °C, con un consumo

TABLA 139 Resultados obtenidos al aplicar diferentes secuencias de blanqueo a la pulpa quimimecánica a la soda de bagazo

Peróxido

Incremento de la brillantez (Elrepho) Número de reversión de color (método TAPPI)

Peróxido Hidrosulfito hidrosulfito

Hipoclorito

11-13

9-11

18-20

8-10

1-2

2 .4

1-2

14-20

Opacidad (°h)

93

95

93

93

Coeficiente de dispersión (m 2 /kg)

39-43

39-41

38-42

-

indice de tensión (N . m/s)

18,6

20,6

18,6

19,6

Indice de rasgado (mN . m2/g)

3,4

3,2

3,2

3,4

Densidad (g/cm3)

0,33

0,37

0,34

0,33

d b

á 0

óÚ V

O

. á 0 ,d.. C C R

v

3

~^ P w b O O

s

m

"w'

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

de hidrosulfito inferior a 1 aio y el pH entre 5 - 6, en dependencia de la utilización de hidrosulfito de sodio o de cinc. El tiempo de retención en la torre, en estas condiciones, es de sólo 35 - 40 min y la ganancia de brillantez final esperable es de 7 - 10 unidades Elrepho . Igualmente a los resultados discutidos en el caso del peróxido, las propiedades de resistencia de la pulpa no difieren, de manera significativa, de las reportadas para la pulpa sin blanquear. Como se observa en la tabla 139, la reversión de color final es inferior para las pulpas obtenidas con abrillantamiento con peróxido, como ha sido señalado. Los resultados logrados, utilizando cualquiera de los 2 reactivos anteriormente discutidos en etapa simple, pueden ser sustancialmente mejorados, si la pulpa de bagazo es sometida, previamente a la etapa de abrillantamiento, a un tratamiento muy suave con ácido mineral, lo cual permitirá elevar, de forma importante, la brillantez antes del blanqueo. La adición de pequeñas cantidades de agentes acomplejantes como el ácido etilendiamintetraácetico (EDTA) o el etilendiaminpentaacético (DPTA) completan, satisfactoriamente, estos propósitos . De cualquier forma, si la pulpa se ha de utilizar en formulaciones destinadas a la producción de papeles de mayor calidad, se necesita combinar en el blanqueo las 2 etapas, utilizando peróxido-hidrosulfito . En los trabajos experimentales realizados en el ICIDCA, con el objeto de optimizar esta secuencia de blanqueo para las pulpas mecánicas y quimimecánicas de bagazo, se demostró que, por esta vía, la brillantez final de la pulpa se incrementa entre 17 - 19 unidades, con un valor aceptable para la reversión de color, sin variaciones apreciables en las restantes propiedades . Estas pulpas aventajan, sustancialmente, a las pulpas químicas blanqueadas, por su elevada opacidad (92 - 96 ".6) y por su elevado valor del coeficiente de dispersión (39 - 42 m 2 /g) (Tabla 139), lo cual las hacen recomendables para incorporarlas a formulaciones de papeles de alta calidad . 7.3 HIPOCLORITO DE SODIO El hipoclorito de sodio es un reactivo barato, que produce un efecto abrillantador relativamente moderado e incrementa la brillantez de la pulpa entre 5 - 10 unidades Elrepho . En el caso del bagazo, el efecto abrillantador del hipoclorito se corresponde con el que se reporta por numerosos autores . Un consumo de hipoclorito entre 5 - 12 % y pH lo suficientemente alcalino, . permiten obtener un incrementó de brillantez de hasta 10 unidades . No se recomienda, en cambio, su utilización, por la fuerte reversión dé color que presentan las pulpas

217

abrillantadas, las cuales pueden perder, en pocas horas, de forma total, la ganancia de brillantez alcanzada durante el tratamiento, a causa de la inestabilidad en las transformaciones ocurridas en la lignina . Estas pulpas tienen tonalidades amarillo rojizas y no compiten ni por su calidad ni por el elevado consumo de sosa necesario para obtener un pH adecuado, con las obtenidas, utilizando peróxido de hidrógeno o hidrosulfito de sodio. Este comportamiento del hipoclorito con las pulpas mecánicas y quimimecánicas de bagazo, es extensivo no sólo al hipoclorito, sino, en general, a los derivados del cloro . El dióxido de cloro no produce un abrillantamiento satisfactorio con estos fines, en condiciones convencionales . Un aspecto importante del abrillantamiento y, en general, del blanqueo de las pulpas de bagazo, es el efecto beneficioso que produce el tratamiento final por un período de 5 min, en presencia de solución saturada de dióxido de azufre, el cual estabiliza la brillantez alcanzada, retardando el deterioro por el envejecimiento. Estudios recientes realizados en el ICIDCA demuestran, que el dióxido de azufre tiene un efecto beneficioso no sólo por la estabilidad que ocasiona a la brillantez final, sino por su habilidad de actuar como un agente de abrillantamiento de aceptable eficiencia, especialmente para pulpas pardas de muy baja brillantez inicial, en cuyo caso, provoca una ganancia de brillantez análoga a la obtenida con hidrosulfito de sodio o peróxido de hidrógeno . Las condiciones ácidas del tratamiento y la elevada temperatura (50 - 60°C), requieren de una torre adecuada, donde la corrosión y la nocividad del producto puedan ser eficientemente controladas . Esta solución puede constituir una opción adecuada en la preparación de papel periódico, a partir del bagazo, en condiciones particulares . Otro aspecto fundamental que se debe tomar en consideración durante el abrillantamiento, es la presencia de iones metálicos, fundamentalmente hierro, que están presentes durante el abrillantamiento de la pulpa quimimecánica y durante el blanqueo de las pulpas de bagazo en general. Es conocido, que las pulpas actúan como resinas débiles de intercambio de cationes, las'cuales tienen gran afinidad por los iones metálicos pesados . Estos iones provocan pérdidas de brillantez de la pulpa, descomposición de los reactivos del blanqueo y amarilleo, con el envejecimiento de las pulpas blanqueadas y su efecto es de importancia especial, en el caso del bagazo, por su considerable nivel de ceniza . El manganeso afecta, de forma importante, la brillantez de la pulpa blanqueada, a causa de la acción catalítica que ejerce sobre el peróxido de

21 8

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR

hidrógeno como agente blanqueante . Así mismo, las pulpas envejecidas por tratamientos en húmedo se afectan muy significativamente por la presencia de este ion. El ion ferroso, en concentraciones de hasta 200 ppm, no afecta, de manera apreciable, la brillantez de la pulpa, antes ni después del proceso del blanqueo, pero su presencia es muy perjudicial a los efectos del envejecimiento, tanto por métodos de calentamientos húmedos como secos . El ion férrico es altamente perjudicial para la pulpa y afecta, de manera significativa, la brillantez e incrementa el coeficiente específico de absorción de la pulpa, aun para muy pequeñas concentraciones . Esta pérdida de brillantez ocasionada por la presencia del ion férrico no se recupera por un proceso de abrillantamiento convencional por peróxido de hidrógeno . Así mismo, las pérdidas de brillantez por el envejecimiento se incrementan por la presencia de este ion, mucho más que con cualquier otro estudiado . El calcio, de manera análoga al comportamiento encontrado para el caso de la pulpa de madera, incrementa la brillantez, hasta concentraciones de 300 ppm, la pérdida de brillantez por el envejecimiento se ha encontrado independiente del calcio para la pulpa cruda, pero dependiente de éste para la pulpa blanqueada . La opacidad también se favorece por la presencia de cantidades limitadas de calcio . 8 Blanqueo de la pulpa química de bagazo NANCY FERNÁNDEZ RODRÍGUEZ Las pulpas químicas de bagazo pueden ser blanqueadas con los agentes químicos que, tradicionalmente, son utilizados para el blanqueo de las pulpas de madera, así como con los más recientes reactivos reportados en la literatura. La mayor parte de la producción mundial de pulpa blanqueada de bagazo, es obtenida con el proceso de cocción a la soda, seguida de un blanqueo en 3 etapas con la secuencia cloro-extracción-hipoclorito de sodio (CEH) ; gran aceptación, actualmente, ha encontrado la introducción del dióxido de cloro y el oxígeno como parte de las secuencias de blanqueo . Las pulpas de bagazo presentan características muy peculiares durante el proceso de blanqueo, destacándose por ser más fácilmente blanqueables que sus análogas, obtenidas a partir de maderas suaves o duras, lo cual se evidencia al obtener niveles de brillantez y propiedades ópticas muy semejantes o superiores a las de otras fuentes fibrosas con menores adiciones de productos químicos. Esta característica del blanqueo químico de la pulpa de bagazo, parece

estar muy asociaua a la naturaleza de la lignina de bagazo, cuyas propiedades fisicoquímicas la hacen fácilmente accesible y atacable por los reactivos del blanqueo. 8.1 UTILIZACION DEL CLORO EN EL BLANQUEO Mundialmente, no se reportan aún experiencias para el blanqueo de pulpas químicas de bagazo, que no contemplen el cloro como un elemento importante del blaqueo . Los esfuerzos de los investigadores, en este sentido, se encaminan, fundamentalmente, al campo de la celulosa de madera . 8.1.1 Secuencia CEH Desde el punto de vista tecnológico, los resultados del trabajo investigador han demostrado, que la variable fundamental del blanqueo, en este caso, es el coeficiente total de consumo (c.t.c.) de cloro en el blanqueo, que relaciona el grado de deslignificación en el cloro total adicionado, el cual tiene una influencia marcada sobre la brillantez y la viscosidad final obtenida, por lo que no se debe emplear valores de c.t.c. superiores a 0,5 para el uso de esta secuencia, en el caso del bagazo. Los resultados se favorecen, desplazando un elevado tanto por ciento del cloro total a la cloración, lo cual permite incrementar la viscosidad y el rasgado final de forma considerable (Tab . 140), con beneficios sustanciales para la formación en la máquina de papel (Fig. 108) . Las pulpas de bagazo pueden ser también blanqueadas con esta secuencia, si se introducen modificaciones en el proceso como son : la adición de pequeñas cantidades de dióxido de cloro en la cloración, procedentes del tanque sello de la etapa final de dióxido, con ventajas interesantes para las propiedades de resistencia, si bien no se incrementa la brillantez final, o utilizando el novedoso método del blanqueo compacto que incrementa la temperatura y la consistencia, lo cual permite disminuir, considerablemente, el tiempo de retención en la cloración hasta 15 - 20 min, eliminando, por tanto, la torre de cloro, disminuyen los costos de mantenimiento/operación y aumenta la productividad de la planta, con menores volúmenes de efluentes agre sivos. La tendencia mundial, en el campo del blanqueo, aun con maderas del tipo del eucalipto, coincide con la necesidad de transformar las instalaciones actuales de las plantas de blanqueo, buscando soluciones que atenúen los costos de inversión, el área, los gastos de mantenimiento/operación y menores cargas de efluentes, que alivien las medidas externas que se necesitan para su tratamiento .

21 9

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO TABLA 140

Propiedades de las pulpas químicas al sulfato de bagazo blanqueadas en 3 etapas CEH y CED. Para las condiciones óptimas del blanqueo Pulpa de coníferas (secuencia)

Pulpa al sulfato de bagazo (secuencia) CED CEH

Propiedad Brillantez (Elrepho)

85,0

85,6

Coeficiente absorción (mtfkg)

4,3

2,9

Número de reversión de color (método seco norma TAPPI)

2,5

1,3

CEH

CED

81,0-83,0

81,1

-

1,49

-

8,7 (0,5 CED)

Viscosidad (mPa/s)

20,0

27,0 (I% CED)

Indice de rasgado (kPa .m'fg)

63,0

78,0

112,5

118,0

3,7

4,0

5,2

-

Celulosa (eio)

75,6

76,0

Pentosanas (%)

22,7

23,4

Cloro total aplicado (kgft)

55,0

40,0

57,0

57,0

Consumo NaOH total (kgft)

35,0

25,0

20,00""

20,00

5,0

5,5

90,0

92,0

L " ruptura (km)

Tiempo de retención (h) Rendimiento Molida Shopper Riegler CSF ea

570

500

-

17 500

5,7

18 500

No induye hipoclorito .

Fig. 108 Secuencia de blanqueo CEH para la pulva qulmtca de bagazo. Estas modificaciones alcanzan a la etapa de extracción alcalina y a la hipocloración y pueden abarcar, en el caso del bagazo y del eucalipto, la eliminación del filtro posterior a la eloración adicionando la sosa y el cloro, directamente a la salida de la cloración. Las pulpas obtenidas man-

tienen las propiedades ópticas alcanzadas por el método tradicional, si bien presentan una ligera caída de viscosidad adicional y necesitan una mayor proporción de sosa en la etapa extracción-blanqueo (Fig . 109) .

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

220 ESPESADOR

FILTRO

Fig . 109 Esquema compacto para el blanqueo CEH, según A. Stonis . 8.2 DIOXIDO DE CLORO

Los trabajos acometidos con la intención de obtener ventajas para la introducción del dióxido de cloro en el blanqueo de la pulpa de bagazo, han demostrado, que este reactivo presenta una reactividad marcada hacia la lignina residual de las pulpas de bagazo, lo que permite obtener resultados satisfactorios para secuencias de 3 y 4 etapas, en dependencia de la calidad final que se pretende alcanzar, siempre que se adecuen, convenientemente, los parámetros del blanqueo a las características morfológicas, físicas y químicas del bagazo como materia prima . En los últimos años, se ha optimizado la secuencia de blanqueo cloro-extracción-dióxido de cloro (CED) por presentar notables ventajas a causa de la mayor viscosidad y rasgado de la pulpa blanqueada, con relación a la pulpa obtenida por el esquema CEH, tanto en la introducción del dióxido como tercera etapa del blanqueo (CED), como por la reutilización del licor de la tercera etapa en la secuencia C/DED, con mayor estabilidad de color de las pulpas blanqueadas . La disminución del cloro total aplicado en el esquema CED y el abatimientq de la contaminación, son ventajas notables de este esquema aplicado al blanqueo de la pulpa de bagazo. En este esquema se debe destacar la pequeña adición de dióxido de cloro que se requiere para obtener la mejor calidad de pulpa blanqueada. Al igual que en el caso de la secuencia CEH, el coeficiente total de consumo de cloro y la distribución elevada del cloro en la etapa de cloración, son elementos fundamentales para un exitoso blanqueo . En la tabla 140 se comparan las propiedades obtenidas al aplicar las secuencias CEH y CED a la pulpa química al sulfato de bagazo y de madera suave, para el caso de la pulpa a la soda de bagazo los resultados del blanqueo se corresponden con los reportados en la tabla 140. Los valores representados para las propiedades de las pulpas químicas de bagazo blanqueadas, evidencian la considerable diferen-

cia en el rasgado, la viscosidad y el número de reversión de color obtenidos, por ambos métodos, lo cual favorece a la pulpa blanqueada, utilizando el esquema CED, de manera significativa. El esquema CED muestra, además, beneficios considerables por ahorro de cloro y sosa, si bien se puede señalar como desventaja el mayor costo de inversión y mantenimiento/operación, necesario por la planta de generación de dióxido y las características anticorrosivas de construcción de la lavadora, el mezclador y la torre en la etapa de dióxido de cloro. De acuerdo con los resultados comparativos que se presentan en la propia tabla 140, se demuestra la mayor brillantez de la pulpa química de bagazo con relación a la pulpa de . coníferas para secuencias de blanqueo análogas . Esta conducta que se manifiesta en la generalidad de las secuencias de blanqueo, utilizando bagazo, pone de relieve la mayor facilidad de las pulpas de bagazo a ser blanqueadas . Se observa, en cambio, cómo el rasgado y la longitud de ruptura se encuentran en valores muy superiores para las pulpas de madera, dadas las características anatomomorfológicas de las pulpas de madera con una fibra de mayor longitud y resistencia . Es un hecho probado, el éxito de blanquear la pasta cruda que ha de llevarse a la máquina de papel, lo cual es una nueva variante con relación al método tradicional de preparar la pasta, mezclando ambos tipos de pulpa posterior al blanqueo . Para elevar la brillantez hasta niveles de 88 - 90 unidades Elrepho, es necesario adicionar, en el caso del bagazo, una cuarta etapa al blanqueo, lo cual no debe ser, en ninguna circunstancia, a costa del hipoclorito de sodio. La secuencia de blanqueo CEHH está prácticamente prohibida para el bagazo, por las características altamente degradadoras del hipoclorito, el cual frgnte a una materia prima de fibra corta como

INDUSTRIA DE

CELULOSA Y

PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO TABLA

22 1

141

Propiedades de las pulpas a la soda de bagazo blanqueadas en 4 etapas CEHD

CEDH

O/A CEH

O/A CED

Brillantez (Elrepho)

87,0

88,5

86,5

88,0

Viscosidad

21,0

24,0

21,0

23,0

Número reversión color (SCAN)

1,3

1,3

índice de rasgado

6,3

6,8

6,8

6,8

Celulosa (%)

75,0

75,0

70,0

70,0

Cloro

55,0

55,0

35,0

24,0

3,0

5,0

27,0

25,0

(mPa .s)

(mN . m'/s)

(kg/t)

Dióxido de cloro

(kg/t)

Hidróxido de sodio

(kg/t)

Tiempo de retención (h)

lo es el bagazo (L 1,2 mm) provoca una severa degradación, reduciendo, considerablemente, la viscosidad y el rasgado . Para lograr pulpas blancas de bagazo de alta brillantez y resistencia satisfactorias, se pueden utilizar secuencias donde se combinen, de forma acertada, el cloro, el dióxido de cloro, el oxígeno y el peróxido de hidrógeno cuyas ventajas y aspectos más generales discutiremos en este capítulo para las secuencias estudiadas CEHD, CEDH, O/ACEH, O/ACED y CEHP. El peróxido de hidrógeno lo consideramos aparte en esta discusión, por las características individuales que presenta, frente al bagazo, no comparable a ningún otro reactivo de blanqueo considerado . El dióxido de cloro puede ser utilizado en la secuencia de blanqueo en 4 etapas, bien como tercera o última etapa (CEDH o CEHD) . Si se comparan los resultados obtenidos para ambas secuencias éstos evidencian que la posición de la etapa de dióxido favorece, ligeramente, al esquema CEDH sobre CEHD en la brillantez, la viscosidad y el rasgado, con un incremento en el dióxido de cloro aplicado en el caso de la secuencia CEDH (Tab. 141) . 8.3 OXIGENO En el caso del blanqueo con oxigeno, es necesario definir el valor del número de Kappa óptimo en la cocción, para la posterior etapa de blanqueo, el cual tiene un efecto decisivo sobre las propiedades finales de la pulpa blanca . Los

5,6

5,6

-

3,0

12,0

12,0

5,6

6,0

resultados que se muestran en la tabla 142, indican que la viscosidad de las pulpas blanqueadas con oxígeno, es mayor a medida que se incrementa el número de Kappa, de la pulpa sin blanquear ; las pulpas de menor número de Kappa inicial son más afectadas por las condiciones del tratamiento con oxígeno . Para pulpas en el rango de número de Kappa entre 18 - 35, se obtienen viscosidades O/A eptre 26 - 33 m Pa-s, respectivamente . En el caso de las pulpas de bagazo, ha quedado demostrado que la temperatura y el consumo de sosa en el blanqueo son los factores más importantes que hay que controlar en la etapa de blanqueo O/A . Los resultados comparativos, para diferentes pulpas semiblanqueadas de madera suave y bagazo con la etapa O/A, se muestran en la tabla 143. Estos resultados demuestran que las pulpas de bagazo superan en brillantez a las pulpas de madera, si se considera un grado de deslignificación semejante . Otras etapas del blanqueo deben completar el efecto beneficioso alcanzado durante la etapa del blanqueo con oxígeno . La secuencia seleccionada dependerá del número de Kappa, la brillantez final y las propiedades que se deseen obtener. Utilizando el oxígeno en la primera etapa del blanqueo, se puede reducir el número de Kappa inicial, de 48 % a 60 vio, con un decremento de 50 % en el contenido de lignina . Los esquemas de blanqueo para pulpa química a la soda de bagazo O/ACEH .y O/ACED, per-

222

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR TABLA 142

Influencia del grado de deslignificación durante la cocción en la etapa de blanqueo 0/A Cocción Viscosidad Pulpa No. Kappa (mPa/s)

Blanqueo O/A

Parámetro de ViscosiCelulosa deslignifidad No. Kappa cación (mPa/s)

Celulosa

1

18,0

38

75,8

10,4

7,6

26,0

2

22,0

36

66,2

12,6

9,0

29,0

3

25,3

36

67,0

14,0

11,0

29,0

69,6

4

35,1

35

66,9

17,8

17,0

33,0

69,8

74,2

TABLA 143

Brillantez de las pulpas semiblanqueadas en la etapa O/A para madera suave y bagazo Brillantez

Madera s ave

Bagazo

No. Kappa

40,0

7,0

53,4

9,3

40,0

12,0

35,0

12,0

36,6

9,2

32,1

14,0

46,7

17,0

50,8

9,8

50,1

12,0

51,3

14,0

miten obtener pulpas de elevada brillantez final (Tab. 141) y excelentes propiedades físicas y de resistencia, comparables, como se muestra en la tabla 141, a las secuencias que no incluyen el oxígeno . La demanda de cloro, en estos esquemas, disminuye entre 40 - 50 %, en comparación con los esquemas convencionales de cloración en primera etapa. El consumo de NaOH también se

reduce, considerablemente, mientras los rangos de operación del resto de las variables, se mantienen en los niveles establecidos de trabajo para cualquier otro esquema de blanqueo. La utilización del oxígeno en el blanqueo, permite atenuar la etapa del tratamiento de los efluentes, disminuye el volumen total, la agresividad y la toxicidad de efluentes contaminantes,

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

224

y, particularmente, la secuencia O/ACED permite la reutilización del licor de la etapa de dióxido (Fig. 110) . La eficiencia de la caldera de recuperación se eleva, considerablemente, al incrementarse el nivel de sólidos totales procedentes de la etapa de blanqueo con oxígeno, en la cual el número de Mn0 4 de la pulpa cae hasta un valor de permanganato 1,5 - 3. Cuando el oxígeno se utiliza en sistemas de blanqueo multietapas, se pretende elevar la brillantez y mejorar las propiedades mecánicas y de resistencia hasta los niveles convencionales de tratamiento admisibles para pulpas químicas totalmente blanqueadas . Este introduce modificaciones en los rangos de aplicación y en el control tecnológico de las etapas siguientes del blanqueo, motivadas por la introducción del oxígeno en la primera etapa, que sólo permite alcanzar niveles bajos de brillantez, éstos pueden ser elevados al rango de pulpa semiblanqueada o pulpa completamente blanqueada, sin afectar, apreciablemente, el rendimiento con relación al blanqueo convencional .

gazo, en 3 secuencias de 2, 3 y 4 etapas CP, CPD y CEHP, que abarcan un amplio rango de calidades de pulpa blanca . 8.4.1 Secuencia cloro-peróxido (CP) Esta secuencia de blanqueo, aplicada al bagazo, permite obtener pulpas blancas de 80 - 82 unidades de brillantez y buenas propiedades de resistencia (Tab . 144), siempre que se controle, adecuadamente, la adición de cloro y peróxido que son las variables fundamentales del proceso. Este esquema brinda la opción de simplificar, considerablemente, la tecnología del blanqueo, al eliminar la etapa de hipocloración (torre, mezclador, lavadora), disminuir el costo de inversión operación/mantenimiento, incrementar además, la productividad de la planta de celulosa y disminuir la carga de efluentes tóxicos, considerablemente, con relación a cualquier esquema de blanqueo . Los trabajos, en este campo, han demostrado que es posible efectuar una eficiente operación de extracción-blanqueo combinada cuando se utiliza el peróxido de hidrógeno, lo que eleva la brillantez y las propiedades de la pulpa a los valores obtenidos con un esquema en 3 etapas CEH (Tab. 140) . Estos resultados ratifican la

8.4 PEROXIDO DE HIDROGENO El peróxido de hidrógeno ha sido estudiado, para el blanqueo de la pulpa a la soda de ha-

TABLA 144 Peróxido de hidrógeno como agente de blanqueo multietapas de la pulpa química de bagazo Cloro-extracci6nCioro-per6xido Cloro-per6=da--hipoclorito-per6. (CP) -dióxido (CPD) xido (CEHP) Brillantez (Elrepho)

80-82

86-88

87-88

Opacidad (44)

82,0

84,0

76,0 .78,0

Coeficiente de dispersión (m'Jkg)

36.0

45,2

36,0

Viscosidad (mPa .s)

21,0

19-21

18,0

Indice de rasgado (mN " mlg)

64,0

64,0

63,0

1,3

1,0

1,6

Cloro (kg/t)

40,0

30,0

50,0

NaOH (kg/t)

40,0

40,0

40,0

Peróxido (kg/t)

14,0

10,0

4,0

-

5,0

-

2,5-3

4,5

6,0-7,0

Número de reversión de color (SCAN)

Dióxido (kg/t) Tiempo de retención (h)

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

225

H& III Secuencia de ólanquao atomPerdxido (CP), Para la Putpa gsdmiea a la soda-de bagazo.

fácil blanqueabilidad de las pulpas de bagazo y evidencian que no es necesario utilizar sofisticados esquemas de blanqueo, en el caso del bagazo, para un completo blanqueo de la pulpa, lo más importante es, en cambio, profundizar en el arreglo de los parámetros con esquemas simples que establezcan un compromiso satisfactorio brillantez-viscosidad-rasgado . Otra importante ventaja de la introducción del esquema CP en el blanqueo de la pulpa de hagazo viene dada por la elevada estabilidad del color, después del blanqueo, y una opacidad muy elevada, que se corresponde con un alto valor del coeficiente de dispersión, lo cual no es obtenible al emplear otros agentes de blanqueo . Estas características mencionadas permiten concluir que la secuencia CP es altamente provechosa, en todos los sentidos, para la fabricación de papeles de impresión, a partir del bagazo, especialmente, por su alta opacidad y su estabilidad al envejecimiento, unida a los factores anteriormente mencionados (Fig. 111) . 8.4.2 Secuencia cloro-peróxido-dióxido (CPD) Con esta secuencia de blanqueo se pueden obtener pulpas blanqueadas de bagazo con propiedades ópticas y de resistencia análogas a las que se obtienen al aplicar una secuencia de blanqueo en 4 etapas (Tab. 144) . En este proceso de blanqueo, la temperatura en la etapa de peróxido, es una variable cuyo efecto debe ser rigurosamente controlado, para lograr la mayor brillantez final, con mínima degradación. Cuando se utiliza esta secuencia de blanqueo, los niveles de cloro y dióxido de cloro no son fundamentales y pueden ser fijados en los límites inferiores en que se utilizan para un proceso de blanqueo químico . Esta secuencia permite obtener pulpa de muy elevada resistencia, por combinar 2 reactivos de blanqueo, cuyo

efecto- repercute en una elevada estabilidad de color y, selectividad en el blanqueo como son el peróxido ¡ y el dióxido . Esta secuencia representa una simplificación del proceso, en' comparación con los sequemas de 4 etapas necesarios para obtener calidades semejantes de pulpa como son : 1 . Reducción en el tiempo de retención total del blanqueo . 2. Alta opacidad y coeficiente de dispersión. 3 . Mayor estabilidad al envejecimiento . 4. Reducción del volumen de efluentes, al eliminar una etapa del blanqueo. 5. Consumo de hidróxido de sodio y cloro inferiores, en comparación con las secuencias de 4 etapas . 6. Reducción de la toxicidad de los efluentes, al sustituir la etapa de hipoclorito por la de peróxido de hidrógeno. 8.4.3 Secuencia cloro-extracción-hipoclorito-peróxido (CEHP) Cuando el peróxido de hidrógeno se utiliza como la cuarta etapa del blanqueo, la adición de reactivo es muy pequeña, ya que adiciones superiores a 0,4 % no son sólo indiferentes con relación a la brillantez final, sino que prolongan, excesivamente, el tiempo de reacción . Esta etapa de blanqueo se realiza, a consistencias medias, a una temperatura de 60 - 70'C. El valor de la relación NaOH/silicato de sodio empleado, .representa un papel fundamental por el efecto que esta relación tiene sobre el tiempo de retención,

226

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

en la etapa de peróxido y sobre la viscosidad final obtenida . Como se muestra en la tabla 144, las pulpas blanqueadas con esta secuencia tienen una elevada brillantez final y satisfactorias propiedades de resistencia . La mayor ventaja encontrada se relaciona con la estabilidad que alcanza la brillantez final, ya sea determinada por métodos húmedos o secos, con relación a otras secuencias estudiadas. El proceso se hace altamente recomendable por la pequeña adición de peróxido que es necesaria para lograr el efecto deseado (03 - 0,6 %) .

9 Blanqueo de la pulpa para disolver de bagazo La pulpa para disolver ha sido blanqueada, utilizando esquemas de blanqueos de 3 y 4 etapas, cloro-extracción-hipoclorito (CEH) y cloro-extracción-hipoclorito-dióxido de cloro (CEHD) Los estudios realizados demuestran, que este tipo de pulpa puede ser blanqueada, satisfactoriamente, utilizando una secuencia de blanqueo de sólo 3 etapas (Tab. 145), con un valor de TABLA 145 Propiedades de la pulpa para disolver a la soda de bagazo blanqueada, con las secuencias CEH y CEHD CEH

CEHD

Número de Mn O,, de la pulpa sin blanquear

9

9

Coeficiente total de cloro (c.t.c.)

0,3

0,3

GP

800

a celulosa (%)

91,4

92,3

Pentosanas (%)

4,8

3,7

Cenizas (l'o)

0,01

0,01

Kw (papel Filtrak 388)

Brillantez (Elrepho)

1900 84,0

960

1700 87,8

brillantez, viscosidad y contenido de a-celulosa, en correspondencia con los parámetros de calidad aceptados para la fabricación de rayón . Es posible adicionar una cuarta etapa de dióxido de cloro, si se desea elevar la brillantez de la

pulpa hasta 90 unidades, con mínimas adiciones de dióxido de cloro, pero esta etapa tiene muy poca influencia sobre el GP y el contenido de a-celulosa de las pulpas . El parámetro más influyente en el blanqueo de la pulpa para disolver, en estas secuencias, al igual que en el caso de la pulpa papelera, es el coeficiente total de cloro (c.t.c.), cuyo rango de operación, en este blanqueo, debe oscilar entre 0,3 - 0,35, pues mayores valores de coeficiente implican una severa degradación de la pulpa. Otra variable de importante control en el blanqueo de la pulpa para disolver, es el grado de deslignificación de la pulpa sin blanquear, el cual, en el caso del bagazo, se corresponde a valores de número de Kappa 12 - 18. En la tabla 145 se reportan las propiedades obtenidas en el blanqueo de la pulpa para disolver de bagazo, utilizando ambas secuencias. En cuanto a la filtrabilidad de ambas pulpas, los valores de las constantes de tupición (Kw), determinados para las pulpas blanqueadas, indican que ambas poseen condiciones satisfactorias para ser procesadas . La pulpa para disolver de bagazo no necesita, por tanto, ser sometida a procesos de blanqueo de 5 etapas o más para la obtención de una viscosa de calidad, como en el caso de las maderas o como se ha planteado para el bagazo por algunos autores . En el caso del bagazo, es suficiente la aplicación de 3 ó 4 etapas de blanqueo, si se controlan, adecuadamente, el grado de deslignificación de la pulpa y el coeficiente de cloro total .

10 Producción de papel y cartón a partir del bagazo RAFAEL MOLINA MANCEBO Hasta el momento, la mayor parte de la pulpa papelera de bagazo que se produce en el mundo, se obtiene por el proceso químico alcalino a la soda y se emplea en la fabricación de papeles culturales blanqueados y papeles industriales para envases y embalajes . Se producen, también, cantidades limitadas de pulpa semiquímica no blanqueada, utilizada, fundamentalmente, en la industria de cartón para ondular . Más recientemente, se han construido nuevas instalaciones con el objeto de producir papel gaceta o periódico, empleando, como materia prima, pulpa semiquímica a la soda semiblanqueada de bagazo, si bien no han tenido pleno éxito, hasta ahora, para ese propósito, por diversas razones que se pueden resumir en la carencia de una tecnología técnica y económicamente demostrada

227

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO para la producción de papel periódico a partir del bagazo .

11 Caracterización y propiedades papeleras de las pulpas de bagazo En general, las pulpas de bagazo se clasifican como de Libra corta, a causa de que las dimensiones de sus fibras son menores, en comparación con las maderas coníferas o suaves, tradicionalmente utilizadas para la fabricación del papel. El bagazo se caracteriza, además, por su estructura física heterogénea . A diferencia de las maderas coníferas, que se componen, predominantemente, de traqueidas,

posee fibras libriformes de la corteza y los haces fibrovasculares,segmentos de vasos y células parenquimatosas, en proporciones considerables, así como otros tipos de células, en reducidas proporciones, por lo cual guarda semejanza con las maderas duras y otras plantas anuales (Figura 112) .

En la tabla 146 se muestran las dimensiones de las fibras de bagazo y otras materias primas papeleras.

TABLA 146 Dimensiones de las fibras de algunas maderas y plantas anuales (promedio)

Longitud Didmetro

de fibra de fibra (L) (mm) (D)(pm)

Relación LID

Maderas suaves Abeto

3,40

31,0

110

Pino

3,10

35,0

90

Abedul

1,18

18,5

64

Alamo

1,03

22,4

46

Haya

1,05

14,7

71

Roble

1,23

12,3

100

Bagazo

1,35

22,0

60

Bambú (India)

1,73

22,0

79

Paja de arroz

1,14

10.0

114

Paja de trigo

1,50

15,0

100

Esparto

1,50

12,0

us

Yute

2,50

20,0

125

Kenaf (fibra)

2,60

20,0

130

10-18

100 -200

Maderas duras

Plantas

anuales

Aumento :160 X Pig. 112 Elementos típicos de la estructura de la calla de azúcar. 1. Célula parenquimatosa. 2, Elemento vascular cribado. 3. Célula parenquimatosa con pequeñas cribas. 4. Vaso criboso. 5. Engrosamiento anular del vaso. 6. Varios anillos de un vaso anulado. 7. Dos células parenquimatosas en contacto longitudinal. 8. Fibra de Lumen ancho. 9. Fibra libriforme .

Juncos

Las características morfológicas de las fibras y demás elementos estructurales del bagazo, tie . nen repercusiones importantes sobre las propiedades de sus pulpas .

228

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

11.1 ESTRUCTURA FRACCIONAL Y COMPOSICIÓN QUIMICA

esparto, paja de trigo y junco, en cuanto a su longitud promedio relativa. Con respecto a su composición química, las pulpas de bagazo exhiben, como característica distintiva, su relativamente alto contenido de hemicelulosas del tipo pentosanas. Por esta razón, y por su naturaleza de fibra corta, las pulpas químicas de bagazo presentan buenas propie. Jades de hidratación e hinchamiento y requieren un tratamiento y consumo de energía de molida, mucho menores que las pulpas de maderas coníferas y que otras pulpas de maderas duras, para alcanzar el mismo nivel de drenaje.

Una de las características papeleras importantes de las pulpas, es su distribución ponderada de longitud de partícula . En la figura 113 se comparan curvas cumulativas obtenidas a partir del fraccionamiento de varias materias primas papeleras obtenidas en el clasificador Bauer-Mc . Nett. Las pulpas blanqueadas de bagazo desmedulado se comparan, favorablemente, con las maderas duras y con otras plantas anuales como

HILOS POR PULGADA( TYLCR)

/ 90

r

O

O

G

47~

a .9

ee

rrti

7

09~

ww

~ uur mrewar~ M

e

%u

a

v,u

30 ,

LEYt11DA ED

lo- LORGITUD

P~ Ra~

el

Mo

.- ROICE DE RDND~MAD DE LA PULPA IO

0 G

Io

It

14

DIAGORAL DE LA ASENTURA, mm (a

IG

lo-*)

Fig. 113 Distribución cumulativa fraccional de pulpas papeleras blanqueadas, no molidas, de varias materias primas en clasificador Bauer-MC. Nett.

229

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

formar la pasta papelera. Este concepto es particularmente importante en la industria papelera de bagazo, puesto que sus pulpas no sólo demandan un consumo reducido de energía, para un mismo nivel de drenaje o grado de molida con respecto a las pulpas de madera, sino que también requieren un tratamiento cualitativamente diferente . Equipos como el molino de discos, que promueven el hinchamiento o hidratación y la fibrilación externa, son más adecuados que otros, como el refinador cónico, cuya acción incrementa el acortamiento de las fibras . En la tabla 147 se muestran consumos relativos de energía en la refinación de pulpas químicas de bagazo y madera de fibra larga. La refinación tecnológica constituye un inevitable compromiso que involucra factores cualitativós, operacionales y de diseño del equipo de producción de papel . Ello se debe a que, en gran medida, se buscan objetivos contradicto rios, aun para un mismo tipo de papel. Por ejemplo, el incremento en el grado de molida, permite mejorar la mayoría de las propiedades de resistencia, a excepción del rasgado, pero da lugar, paralelamente, a reducción en las propiedades ópticas, estabilidad dimensional, e incrementa la resistencia al drenaje de la pasta, sobre la malla de la máquina de papel. De ahí que el papelero debe seleccionar, cuidadosamente, las condiciones del. procesd, tomando en cuenta todos los factores que intervienen en el mismo. En la tabla 148 se muestran grados de

11.2 REFINACION Y PROPIEDADES PAPELERAS

Desde el punto de vista de su procesamiento para la producción de papel y cartón, la refinación de la pulpa de bagazo es uno de los aspectos que merece un tratamiento particular . En general, se reconoce que las pulpas de bagazo, a causa de su morfología y composición química, requieren un tratamiento de molida mucho menor que las de madera. Existe, inclusive, el criterio de que las pulpas químicas de bagazo no deben ser refinadas en preparación de pasta. Este concepto, sin embargo, no puede ser generalizado sin tomar en cuenta otros factores, como son: 1 . Calidad de la pulpa, relacionada con el nivel de desmedulamiento, proceso de pulpeo y, en general, con la tecnología de producción. 2. Si la fábrica de papel consume pulpa de bagazo de una planta de pulpa integrada, o si se abastece de pulpa seca que requiere repulpeo o redispersión . 3. Propiedades requeridas en el producto final. Es también un principio reconocido, que pulpas de diferentes calidades deben ser refinadas de forma separada antes de ser mezcladas para

TABLA 147

índice de consumo de energía para la refinación de pulpas químicas blanqueadas en preparación (en tantos por ciento)bb Tipo de pulpa Grado de

CSR)

molida

Bagazo integral Bagazo parcialmente (11 *SR)

desmedulado (19 'SR)

20

Bagazo

desmedulado (15 'SR)

Sulfato de maderas suaves (14 *SR)

2

29

95

25

7

14

53

157

30

17

26

77

214

35

27

45

100

242

40

38

55

124

295

45

46

74

147

331

50

57

100

171

360

tao % . Baga o pardetmenfe ae sineaw.ao a

so

OSR.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZDCAR

230 TABLA 148

Grado de molida de la pasta ('SR)

Grados de molida para distintos tipos de papeles

Tipo de papel y calidad

Grado de molida de la pasta (SR)

Peso básico (g/m3 )

a) Papeles culturales a partir de pulpa mecánica: Periódico 51 Escritura e impresión

d) Papeles industriales : L1ner

200

30-35

Sacos multicapaa

70

25-30

130

35 .40

60-65

Medio para corrugar

50-55

60-65

b) Papeles culturales a partir de pulpas químicas : 70 Escritura e impresión

35-40

Litográfico y offset

120

32-40

Huecograbado

120

40

c) Papeles finos: Transparente (alba)

Tipo de papel y calidad

Peso básico (g/m')

molida característicos de pastas para varios tipos de papeles. La tabla 149 presenta valores de propiedades papeleras de hojas de laboratorio, formadas a partir de pulpas de bagazo integral, desmedulado y pulpa al sulfato de madera de fibra larga.

65-70

40

TABLA 149 Propiedades papeleras de pulpas químicas blanqueadas de bagazo refinadas en el equipo PFI Materia prima

Tiempo de molida revoluciones (x 10 3) Grado de molida (SR) Densidad (kglm3) Indice de tensión (N . m/g) Indice de rasgado (mN . m'/g)

Madera de libra larga Bagazo desmedulado, soda Kraft (comparación)

Bagazo integral, soda

0 19 571 28,4

0.8 25

2,0 35

594 630 31,9 36,8

3,8 45

0 14

680 470 45,1

17.7

2,8 25

5,25

7,75

0

9.8

15,6

20,2

35

45

14

25

35

45

595 645

685

430

600

635

660

41,2 50,0

53,0

15,5

66,7

72,6

76,5

4,8

5,3

5,7

5,9

6,2

6,7

6.9

6,9

10,3

10,1

9i5

9,2

Indice de estallido : (kPa .mr/g,) 2,1

2,5

2,8

3,2

1,8

4,0

4,7

4,9

1,0

5,8

6,1

6,4

Doblez, Kohler.Mohlin Elongación a ruptura (%) Permeabilidad al aire Bendtsen (ml/min)

15 1,3

28 1,5

46 1,8

56 2,3

730

275

110

Brillantez (% Elrepbo)'

80

79

78

77

Opacidad (% Elrepho)

82

81

80

10 1,3

402800

60 2,9

150 3,8

270 4,6

14 1Z

360 3,1

440 3,2

500 3,3

320

50

30

4 850

300

100

50

80

78

76

75

84

82

80

79

79

83

77

76

75

83

77

76

75

Coeficiente especifico de dispersión (m°/kg)

38

36

34

32

38

29

26

24

44

31

29

28

Resistencia superficial, No . de arranque Dennison (promedio malla y paño)

10

11

11

12

1

10

12

14

0

12

13

14

Il4DUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO Al igual que en el caso de las pulpas de coníferas, la refinación incrementa, considerablemente, su densidad y propiedades de resistencia. Se puede advertir que existen diferencias considerables en el comportamiento y en las propiedades papeleras de pulpas de bagazo integral y desmedulado . Las pulpas de bagazo integral se caracterizan por su alto contenido de finos y reducidos niveles de drenaje. Bajo la acción de la refinación, se incrementa, rápidamente, su grado de molida y las propiedades de resistencia son inferiores a las obtenibles a partir de bagazo desmedulado, al mismo nivel de drenaje . Los índices de resistencia de las pulpas dé' bagazo desmedulado son del orden de ó5 - 70 %, con respecto a las maderas suaves comparados al mismo grado de molida . La estructura de la hoja se caracteriza por un alto nivel de enlace . A ello contribuyen, tanto sus características morfológicas como su contenido relativamente mayor de hemicelulosas del

231

tipo pentosanas, lo que da lugar a una ligera reducción en la opacidad, con respecto a madeTABLA 150 Oparidad relativa de pulpas papeleras Tipo de pulpa

Opacidad relativa (%)

No molida 50 *SR 100 95

Esparto a la soda Abedul al sulfato

85

84

Bambú a la soda

84

80

Conífera al sulfito

84

78

Bagazo a la soda

84

75

Paja de trigo a la soda

82

69

TABLA 151 Influencia del contenido de elementos no fibrosos y de la refinación sobre la resistencia superficial de la pulpa de bagazo

Tipo de pulpa Longitud promedio relativa de partícula (mm) Elementos no fibrosos (% numérico)

Bagazo integral, soda 0,30 41

fibras

Pulpa Kraft de fibra rarga' (comparación)

0,55

1,40

Fracción rica en

23

2

Análisis fraccional (Bauer-Mc. Nett) Malla 14

0,7

1,4

59,9

14/28

8,5

19,3

20,7

28/48

15,8

24,7

9,0

48/100

22,6

27,4

5,8

100/200

17,1

16,9

2,2

-200

35,3

10,3

2,4

6,0 (14 SR)

0 (15 SR)

Resistencia superficial, arrancado Dennison (promedio malla y palio) Inicial

9,5 (21 SR)

25 *SR

10,0

10,8

12,5

35 SR

11,0

13,5

13A

45 SR

12,0

16,0

13,5

232

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

ras suaves para los mismos niveles de brillantez y grados de molida . La tabla 150 muestra niveles relativos de opacidad de varias pulpas papeleras . Resultados de investigaciones sobre los factores que afectan la resistencia superficial de la pulpa de bagazo e incrementan la tendencia al desprendimiento de polvo y pelusa durante la impresión, muestran que, al igual que para pulpas similares de maderas duras, los elementos no fibrosos, abundantes en las fracciones finas de la pulpa, son los causantes fundamentales de estos problemas. En la tabla 151 se comparan los resultados obtenidos al evaluar los cambios en la resistencia superficial con la refinación de pulpa de bagazo integral y la fracción rica en fibras de la misma, después de un fraccionamiento selectivo para romover parte de los finos, células parenquimatosas y fragmentos de vasos asociados. El desmedulamiento permite remover una porción considerable de estos elementos: Por esa razón, las pulpas de bagazo desmedulado presentan excelentes propiedades de enlace y altos niveles de resistencia superficial, la cual a grados de molida de 40 - 45 ° SR alcanza valores serriejantes a los de las maderas coníferas . Otra propiedad importante, desde el punto de vista de impresión, es la estabilidad dimensional . La misma está íntimamente asociada al tipo de pulpa, composición química y grado de molida. Incremento en este último, ocasiona reducción en la estabilidad dimensional . A causa, fundamentalmente, de su alto contenido de hemicelulosas,las pulpas químicas blanqueadas de bagazo, experimentan cambios dimensionales relativamente mayores que pulpas similares de maderas suaves . En la tabla 152 se muestran valores de expansión en húmedo, a 60 y 90 % de humedad relativa, para 3 tipos de pulpas . Como se puede notar, si bien todas las pulpas experimentan, en mayor o menor grado, cambios dimensionales frente a variaciones de

la humedad relativa, en la industria papelera de bagazo reviste particular importancia producir el papel con una humedad final, lo más cercana posible a su humedad de equilibrio, en el ambiente a que va a ser expuesto, impreso o utilizado . El acondicionamiento y la protección del papel durante su almacenamiento, son fundamentales para evitar afectaciones ocasionadas por las variaciones en la humedad relativa.

12 Tecnología de producción de papel y cartón a partir del bagazo 12.1 FORMULACIONES FIBROSAS Salvo escasas excepciones, casi ningún papel se produce enteramente de un solo tipo de pulpa. Esto no es solamente válido para la industria papelera de bagazo, sino que constituye una tendencia mundial, que obedece a varias razones, entre las que se pueden señalar las siguientes : 1 . Creciente escasez de materias primas tradicionales (ataderas coníferas), que ha ocasionado incrementos en los precios de sus pulpas, estimulando el desarrollo de tec. nologías papeleras, para la utilización de maderas duras y plantas anuales, y la introducción de nuevos tipos de pulpas de mayores rendimientos . 2. Desarrollo de aditivos sintéticos y quimificación de la industria, lo que ha aportado nuevas vías para impartirle al papel sus propiedades y obviar las limitaciones relativas de las fibras naturales. 3 . Desde el punto de vista económico, resulta casi siempre más ventajoso obtener las propiedades requeridas, mediante la utilización de mezclas de fibras en la pasta, refinadas individualmente .

Sulfato blanqueada de madera

0,25

1,17

Mucho ha influido en el desarrollo de la tecnología papelera de bagazo el mejoramiento en la calidad de sus pulpas . El desmedulamiento, la adopción de tecnologías idóneas para su pulpeo y blanqueo, y el empleo de equipos y procedimientos apropiados para su refinación en preparación de pasta, han sido premisas importantes que han contribuido a mejorar la calidad de sus pulpas, ampliar sus potencialidades papeleras e incrementar su participación en la composición de papeles y cartones .

Sulfato blanqueada de madera

0,25

1,38

12.2 TIPOS DE PAPELES Y CARTONES

Soda blanqueada de bagazo

0,94

2,10

Justamente, a causa de sus características de fibra corta, la pulpa de bagazo resulta excelente

TABLA 152 Estabilidad dimensional de pulpas de bagazo y madera (tanto por ciento de alargamiento) Tipo de pulpa

Humedad relativa 60 90

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

para la producción de papeles culturales. Papeles de este tipo a partir de pulpas de bagazo poseen excelente formación, lisura y buenas propiedades de impresión . Es por ello, que la mayor parte de la pulpa de bagazo que se produce en el mundo se destina a la producción de calidades blanqueadas para papeles culturales. En los papeles de escritura e impresión, se utilizan altas proporciones de pulpa blanqueada de bagazo . Normalmente se adiciona de 10 - 20 % de pulpa de fibra larga a la pasta, a fin de mejorar el drenaje y la resistencia en húmedo de la hoja. Un desarrollo relativamente reciente lo constituye, la producción de papeles y cartulinas para el estucado, con alta proporción de pulpa de bagazo . Los tipos de papel estucado varían desde 65 a 230 g/rn 2 . Se producen papeles estucados por una y por ambas caras, para impresión offset, directa y huecograbado . Se obtienen papeles para etiquetas, envases, cubiertas de cajas de cigarrillos y otras cartulinas para impresión. Las proporciones de pulpa de bagazo en el papel base varían entre 70 y 75 % . En lo que respecta al campo de los papeles y cartones industriales, generalmente más exigentes, en cuanto a propiedades de resistencia, las pulpas de bagazo se utilizan en proporciones menores . Surtidos típicos de esta categoría como el cartón liner, papel para sacos multicapas y car-

233

tuchos, han sido producidos, tradicionalmente, a partir de pulpas kraft de fibra larga. En estos casos, las formulaciones varían de acuerdo con la calidad requerida, las características de la máquina de papel y otros factores de índole económica . Entre estos últimos, está la importante relación entre el peso básico y la composición fibrosa . En términos generales, incrementos en el peso básico de papeles y cartones, permiten reducir la proporción de fibra larga para alcanzar determinados niveles de resistencia, pero demandan mayor consumo de materias primas por unidad de superficie del producto . De aquí, que teniendo en cuenta las tendencias actuales de valoración en función del área, se requiera un compromiso técnico-económico en cada caso. Otros factores limitantes son, por ejemplo, la permeabilidad al aire, que debe ser alta en papeles para sacos, lo que impone limitaciones al incremento en la proporción de fibra corta, que necesita un mayor nivel de refinación para alcanzar altos índices de resistencia. Tecnologías modernas, como el papel extensible Clupak, con altos valores de elongación de ruptura, han permitido incrementar la participación de pulpa de bagazo en las formulaciones fibrosas de papeles multicapas, para sacos hasta 70 %, con un peso básico de 100 g/m2 y 50 %, a pesos básicos entre 70 y 80 g/tn2 . La introduc-

TABLA 153

Principales surtidos de papel y cartón producidos a partir de pulpas de ha~ y formulaciones típicas Rango de peso

bdsico (g/mr)

Especificaciones del producto

Papel de escritura e impresión Copia (manifold) Cartulina blanca Papel y cartulina base para estucado Tissue y sanitario Liner

Cartoncillo para corrugar Sacos multicapas Envolver satinado por una cara (MG) Cartuchos cal~ gris ac dd

C~- 1, quls" bb~ (~: _, qulmlo slblaaquear.

Tipo de pulpa de bagazo-

Bagazo en la pasta (%)

50-100

1

80-90

30-40

1

80-90

100-300

1

70-80

60-200

1

75-80

20-30

1

60-80

130-220

2

40-60

120-130

3 y 4

80-9odd

70-90

2

30-40

60-90

2

70

60-70

2

30-60

100-350

3y4

80-loom

s/blmgeear ~la o K~; 3, sasniq~ sib~ 4. We, seodbnkate

No se udasa 100 % por nranea @caoómbas (papel de de~) .

234

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

ción de resinas sintéticas y otros aditivos funcionales, reflejo de la quimificación creciente de la industria papelera, es otro factor que contribuye a ampliar las posibilidades de las pulpas de fibra corta. Un caso aparte lo constituye, el medio para corrugar, cartoncillo o fluting que puede serfabricado, con excelente calidad, a partir de pulpas semiquímicas y de alto rendimiento de bagazo . Normalmente, sin embargo, se emplea entre 10 y 20 % de papel recuperado, por razones económicas . Papeles especiales, como tissue y sanitario se producen, también, con proporciones altas de pulpas de bagazo blanqueada. En los surtidos de mayor calidad se puede emplear 50 - 60 % y 70 °" 'o, o más, en grados económicos. Desde el punto de vista de sus propiedades, sólo se puede objetar la menor suavidad, a causa, de manera fundamental, de su relativamente alta proporción de hemicelulosas . En la tabla 153 se resumen los principales surtidos de papel y cartón producidos y las proporciones típicas de pulpa de bagazo. En general, la experiencia industrial indica que es posible producir casi todos los surtidos de papel y cartón con alta proporción o con participación de pulpas de bagazo. A fines de la década de 1970, fueron puestas en marcha nuevas instalaciones en México y Perú, para la producción de papel periódico con alta proporción de pulpa de bagazo . Por tratarse de una tecnología en desarrollo, la producción de papel gaceta a partir del bagazo será abordada brevemente a continuación . 12.3 PRODUCCION DE PAPEL PERIODICO Concebido como el papel destinado a los medios masivos de difusión impresa, en el papel periódico se integran varios requisitos técnico-económicos, cuya satisfaccign sólo ha sido alcanzada plenamente, hasta ahora, mediante la utilización de materias primas de fibra larga. Los requisitos más importantes son: 1 . Precio relativamente bajo. 2 . Buenas propiedades de impresión . 3. Alta opacidad . 4. Suficiente resistencia para su impresión en equipos de alta velocidad. La tecnología convencional de papel periódico se basa en la pulpa mecánica de coníferas, como componente fundamental de la pasta, y en la producción intensiva, en instalaciones integradas de gran capacidad, dotadas de máquinas de papel

de alta velocidad. La pulpa mecánica, con rendimientos del orden de 95 %, presenta los índices más bajos de consumo de materia prima por tonelada de papel, y a causa de su relativamente menor tiempo de formación y buenas cualidades de drenaje sobre la malla, posibilita la producción, a altas velocidades, no asequibles con papeles producidos a partir de pulpa química. Reducidas demandas de brillantez, hacen muy simple o aun innecesario el abrillantamiento superficial; y el proceso de producción, en su conjunto se caracteriza por bajos índices de contaminación y simplicidad tecnológica . El carácter de producción intensiva y el empleo de máquinas de alta velocidad, son factores que contribuyen a los niveles relativamente reducidos de costos de inversión. Estas son las premisas fundamentales que convierten al papel periódico en un producto de bajo precio. Desde el punto de vista de calidad, el papel periódico demanda poca permanencia y bajos valores de brillantez, y por su alta opacidad característica, se produce con pesos básicos de 50 - 52 g/m', sin la intervención de rellenos . A causa del predominio de pulpa mecánica en la pasta (75 - 80 %), el papel periódico se caracteriza por sus bajos índices de resistencia, pero éste no es, en modo alguno, un factor limitante, en tanto sea la mínima indispensable para permitir su impresión, a alta eficiencia, en prensas de alta velocidad. No es sorprendente, por lo tanto, que la producción de este tipo de papel se haya visto confinada, durante largo tiempo, al reino de las materias primas selectas, maderas de fibra larga, principalmente abeto. Factores que han estimulado la introducción de nuevas materias primas, son entre otros, la creciente escasez de los bosques de coníferas, el incremento de los precios, y las dificultades de muchos países que carecen de tales recursos, para adquirir el papel periódico que consumen. En 1980, se produjeron en el mundo 25 700000 t de papel periódico, que representan 15 oio de la producción total de papel y cartón . El incremento de la producción con respecto a 1979 fue de 4,1 %,mientras querfue sólo de 0,6% para la producción global de papel y cartón. 12.4,

Experiencias mundiales en la búsqueda de tecnologías a partir del bagazo

Durante más de 30 a, se han hecho esfuerzos encaminados hacia el desarrollo de una tecno . logía satisfactoria para la producción de papel periódico de bagazo . La revisión detallada de estos trabajos puede ser encontrada en reseñas publicadas por diferentes autores . Un breve resumen cronológico de los intentos más importantes llevados a cabo hasta el momento actual,

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO TABLA 154 Proceso

Período

Aschaffenburger Zellestoffwerke AG (Proceso A - Z)

1950 -1960

D e La Rata

1950-1960

Crown Zellerbach (Proceso C -Z)

1957-1960

KMW - Defibrador AB

1960 .1965

Cusi

1962

Peadco

1968-1974

incluye los procesos que se exponen en la tabla 154. Las investigaciones realizadas hasta la fecha, han incluido numerosos tipos de pulpas, -procedimientos de pulpeo y formulaciones. Los principales enfoques se pueden resumir como sigue; 1 . Pulpa semiquímica o química semiblanqueada de bagazo en alta proporción hasta 100 %, y rellenos opacificantes. 2. Prehidrólisis seguida de cocción y blanqueo para la producción con 100 % de pulpa de bagazo y, eventualmente, rellenos . 3. Combinaciones de pulpa mecánica de madera y pulpa química semiblanqueada de bagazo (30 - 50 %) . 4.. Mezcla de pulpa mecánica de bagazo abrillantada (65 - 70 %) y pulpa química semiblanqueada de madera. 5. Otros tipos de formulaciones incorporando pulpas mecánicas, semiquímicas y químicas de bagazo. La mayor parte de las investigaciones han sido llevadas a cabo en plantas piloto y/o a escala de laboratorio; y algunas de ellas ensayadas en instalaciones comerciales adaptadas, transitoriamente, con fines demostrativos. Solamente en 2 casos, han dado origen a inversiones industriales destinadas, específicamente, a la producción de papel periódico a partir del bagazo. Correspondió precisamente a Cuba ser' escenario del primer experimento comercial, al co-

235

menzar sus operaciones en el año 1958 la fábrica Técnica Cubana, basada en el proceso De La Roza . Transcurridos 3 a de esfuerzos, durante los cuales se puso de relieve la imposibilidad técnico-económica de producir papel periódico, el proceso original fue desechado y la fábrica se dedicó a la producción de papeles de escritura e impresión de bajo precio. Una suerte similar corrió la fábrica Valentine, instalada en Louisiana, EE. UU., contemporánea de Técnica Cubana. Desde entonces, hasta 1978, cuando se inauguró una fábrica, en Perú, con una capacidad de diseño de 110 000 t, por el proceso Cusi, no habían tenido lugar nuevas inversiones comerciales destinadas a la producción de papel periódico a partir del bagazo. ' En 1962, se iniciaron en la fábrica Compañía Industrial de San Cristóbal, México, las primeras experiencias con el objeto de producir papel periódico por el proceso desarrollado por el doctor D. S . Cusi. En esencia, la tecnología Cusi se basa en la producción de pulpa semiquímica semiblanqueada de bagazo desmedulado, mediante un proceso original que involucra fraccionamiento después de una cocción suave a la soda, refinación por separado de la fracción gruesa, lavado y blanqueo con hipoclorito de ambas fracciones mezcladas nuevamente . A partir de 1974, se dieron los primeros pasos para la instalación de una fábrica con una capacidad de 110 000 t/a en Perú. El proyecto, basado en la tecnología Cusi, fue precedido de pruebas en máquina de doble malla Sym-Former de la firma finlandesa Valmet OY, y la puesta en marcha tuvo lugar en 1978 . La máquina comercial posee una velocidad de diseño de 1000 m/min y un ancho, en bobinadora, de 7,6 m. Poco después, en 1979, comenzó sus operaciones una planta similar en México (Mexicana de Papel Periódico), y otra más se encuentra en fase de terminación en Argentina, su puesta en marcha estaba programada para 1982 . De acuerdo con las informaciones disponibles, las 2 plantas actualmente en operación no han logrado aún producir papel periódico satisfactorio por medio de la tecnología Cusi, con 90 °r8 de pulpa semiquímica de bagazo. Se reporta, también, el uso de cantidades apreciables de pulpa mecánica en la pasta. Otros problemas confrontados han sido la baja opacidad, dificultades para incrementar la velocidad, pegaduras en prensas, e incremento de finos en el proceso. Los efluentes de pulpeo y blanqueo son altamente contaminantes . Hasta el momento no se tienen informaciones de urca solución satisfactoria para la recuperación de los licores negros . A pesar de estas dificultades, no cabe duda de que estas nuevas fábricas han contribuido, significativamente, al desarrollo de la tecnología para la producción de papel periódico de bagazo y han aportado experiencias valiosas.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

236 12 .3 .2 Proyecto Cuba-9

Sobre la base de las experiencias derivadas de intentos comerciales como el del Proceso De La Roza, del estudio de las tecnologías ensayadas para la producción de papel periódico a partir del bagazo, y de las necesidades de los países productores de esa materia prima de contar con una tecnología propia para ese fin, el ICIDCA arribó a la conclusión de que ninguna de las tecnologías disponibles ofrecía suficiente garantía para una inversión a escala comercial. El análisis de las causas de estas incertidumbres y fracasos, apuntaba hacia la necesidad de contar con una instalación semicomercial, dotada del equipamiento necesario para ensayar diversas alternativas, seleccionar aquéllas más satisfactorias desde el punto de vista técnico y económico, y demostrarlas bajo condiciones reales de producción . Tal instalación, posibilitaría, entre otros, los siguientes propósitos fundamentales: 1 . Prolongar la duración de las corridas de prueba, con costos de operación reducidos, pero bajo condiciones de producción continua, a fin de obtener la información requerida .

convencionales, y las instalaciones de blanqueo posibilitan abrillantamiento en una etapa, así como opciones más complejas . El sistema de preparación de pasta está dotado de una línea para repulpeo y refinación de pulpa importada, así como equipos para la preparación y proporcionamiento de aditivos no fibrosos . La máquina de papel, de tipo Fourdrinier con sistema pick-up y prensa combinada, ha sido suministrada por la firma Over-Meccanica y puede alcanzar una velocidad máxima de diseño de 600 m/min, y un ancho de bobina de 84 cm. 13 Proceso de producción de papel y cartón 13.1 PREPARACION DE PASTA

La formación del papel va siempre precedida de la importante fase de preparación de pasta . En la misma se cumplen varios propósitos fundamentales: 1 . Tratamiento componentes rán parte de que pasará a

mecánico (molida) de los fibrosos o pulpas que forma. la pasta o suspensión fibrosa la máquina de papel .

2. Obtener muestras de papel periódico para su evaluación y perfeccionamiento de su calidad, a partir de las variables del proceso de producción.

2. Preparación de los aditivos no fibrosos que serán añadidos a la pasta : rellenos o cargas, encolantes y otros medios auxiliares, colorantes y alumbre .

3. Investigar cada una de las etapas del pro-

3. Dosificación y mezcla, en proporciones re . guladas, de los diversos componentes fibrosos y no fibrosos .

ceso, partiendo desde la salida del bagazo del central azucarero, e incluyendo el desmedulamiento y almacenamiento .

4. Obtener, en la misma instalación, pulpas de diferentes calidades, pudiendo ensayar diversos procesos y formulaciones fibrosas. 5. Obtener datos reales de consumos de energía, rendimientos, y otras variables del proceso, para su análisis económico . Entre sus características principales, la planta piloto posee una capacidad de producción de 25 - 30 t/d de pulpa de alto rendimiento y hasta 35 t de papel periódico a la velocidad máxima de operación de la máquina, de 600 m/min. El almacenamiento del bagazo es a granel, con posibilidades de utilización de cultivo microbiológico para la preservación de la calidad del bagazo. La planta de pulpa está provista de la suficiente flexibilidad de diseño para permitir el ensayo de diversas tecnologías, desde pulpa mecánica hasta pulpa química blanqueada . Los procesos de lavado, clasificación y depuración son

4. Recuperación de rotura y bordes de la hoja proveniente de la máquina de papel, y tratamiento para su reuso . 5. Limpieza y depuración de la pasta antes de su entrada en la parte húmeda de la máquina de papel . Los objetos fundamentales de la sección de preparación de pasta son también válidos para la industria papelera de bagazo . Las diferencias principales con la tecnología basada en pulpas de maderas suaves estriban en la molida o refinación. Este aspecto ha sido tratado con anterioridad. 13 .1 .1 Descripción del proceso

En la figura 114 se muestra el diagrama de flujo de un sistema continuo de preparación de pasta . Se han supuesto 2 componentes fibrosos fundamentales : pulpa de bagazo procedente de una

23 8

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CARA DE AZúCAR

planta anexa y pulpa de fibra larga recibida seca al aire . Se puede presentar la situación, muy frecuente en la producción de papeles y cartones industriales, de un tercer componente fibroso, generalmente papel de desecho. En este último caso, se requiere una línea adicional de repulpeo, dotada de sistemas más complejos de depuración. Normalmente, las pulpas se refinan por separado antes de ser mezcladas con el resto de los aditivos y la fibra recuperada. Para ello se dispone de diversos equipos, fundamentalmente refinadores cónicos, semicónicos y de discos, con diversas variantes y particularidades . En sistemas antiguos se utilizaban pilas holandesas, que han ido desapareciendo de manera gradual. Actualmente, se imponen los refinadores de discos, por su eficiencia y menor acción de corte, existen numerosos modelos y diseños . Se muestran, además, los sistemas de preparación y proporcionamiento de 4 tipos de aditivos no fibrosos: colorante, resina de encolado, rellenos y alumbre. En el caso de papeles de impresión, se emplean también, normalmente, almidones, por lo general oxidados o catiónicos, bien en la pasta o en la prensa de encolado de la máquina de papel . Cada aditivo requiere ser dosificado, continuamente, y desempeña un papel específico en el comportamiento posterior de la pasta . Las resinas de encolado, por lo general solubles y fortificadas, se añaden a la pasta con el propósito fundamental de impartirle resistencia a la penetración de líquidos. Su retención, adsorción sobre las fibras y efecto ulterior sobre las propiedades del papel, requieren un cuidadoso control del pH, mediante la adición de alumbre . Este último se introduce normalmente lo más cerca posible de la caja cabecera, bien en el foáo de la malla o. en la succión de la bomba mezcladora que alimenta la pasta a la caja cabecera de la máquina de papel . Los rellenos desempeñan varias funciones importantes. Entre otras, incrementan la opacidad del papel, regulan su absorción de aceite, estabilidad dimensional y brillantez, aunque tienen un efecto adverso sobre sus propiedades de resistencia. El relleno más común es el caolín. Actualmente, se introducen en la industria rellenos como el carbonato de calcio, que cambian, radicalmente, el concepto tradicional de operación a pH ácido . En estos casos, se requiere utilizar resinas sintéticas de encolado y prescindir del alumbre, manteniendo pH neutro o alcalino en preparación de pasta y máquina de papel. Un aspecto importante del sistema de preparación de pasta lo constituye la recuperación de pasta y rotura proveniente de la máquina. En la figura 114 se presenta un recuperador convencional del tipo de filtro al vacío. Otros

equipos empleados con este propósito son el re. cuperador de discos, de flotación y parabólico. Independientemente del sistema utilizado, el recuperador de fibra es un equipo de vital impor. tancia, que satisface varias funciones importan. tes: 1 . Recuperación de los bordes húmedo y seco de la máquina, del exceso de agua blanca y de la rotura, permitiendo su reintroducción en el sistema de forma controlada. 2.- Utilización óptima del agua, contribuyendo al cierre del circuito y reduciendo el volu. men y concentración de sólidos de los efluentes . 3. Sistema amortiguador de los desequilibrios ocasionados por dificultades operacionales (roturas) en la máquina de papel, y por el reprocesamiento de papel fuera de especificaciones . La dosificación de la pasta requiere la alimentación continua de pulpas, fibra recuperada y aditivos a la cuba de la máquina. Es impor tante mantener el nivel constante en esta última, pues sus variaciones pueden afectar el control del flujo de la pasta a la máquina . Cada pulpa y aditivo deben ser dosificados a consistencia y concentración controladas . En sis. temas continuos, se requiere controlar los flujos de acuerdo con la demanda de pasta de la máquina, manteniendo el nivel constante en la cuba de la máquina. Es necesario, también, mantener la proporción de los diversos componentes fibrosos y aditivos. Proporcionadores antiguos se basaban en cajas de nivel con reboso y aberturas o compuertas ajustables, manualmente. Con posterioridad, se introdujo el proporcionador volumétrico de paletas con posibilidades de control más preciso y rápido. Hoy día, se utilizan medidores de flujo magnéticos para las pulpas y roturas, y bombas de desplazamiento positivo para los aditivos. Los flujos se regulan de manera automática, manteniendo las proporciones constantes, en respuesta al nivel de la cuba de la máquina . Las proporciones pueden ser variadas instantáneamente desde el panel de control . Es tradicional, instalar uno o más refinadores cónicos en la linea de pasta procedente de la cuba de la máquina, con el propósito de uniformar la pasta e impartirle un último tratamiento de refinación, para el ajuste final del grado de molida, antes de su entrada en la caja de nivel. En la actualidad, es posible obtener mayor estabilidad en la calidad de las pulpas, antes de su entrada al sistema de proporcionamiento . En fábricas basadas en bagazo, el refinador cónico es, además, un equipo poco recomendable.

239

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

13.2 PRODUCCION DE PAPEL Y CARTON 13.2.1 Máquinas de papel El equipo fundamental del proceso de producción de papel y cartón es la máquina de papel. Su función es recibir la pasta mezclada, clasificada y depurada y entregar la hoja de papel terminada . Existen numerosos diseños y variantes, pero, en esencia, el proceso consiste en una remoción gradual y progresiva del agua, utilizando mecanismos cuyos principios permiten identificar 3 secciones diferenciadas : 1. Parte húmeda, en el cual se remueve la mayor parte del agua mediante filtración, a través de una malla móvil, provista de elementos de drenaje . En esta zona, a partir de una suspensión fibrosa entre 0,4 - 1,0 % de consistencia, se produce la formación de la hoja que abandona la sección a alrededor de 20 % de sequedad . 2 . Sección de prensas, en la cual se continúa el proceso de desaguado por mecanismos de prensado y vacío y se incrementa la sequedad hasta niveles de 35 - 40 % . 3 . Sección de secado, encargada de ejecutar la última parte del proceso, mediante mecanismos de transferencia de masa y calor, entregando la hoja a 92 - 95 % de sequedad. La producción continua requiere una armonía casi perfecta entre las 3 zonas fundamentales . Las velocidades deben ser ajustables para adaptarse y controlar el encogimiento progresivo del papel. La operación en cada etapa tiene repercusiones sobre las siguientes y sobre la calidad y propiedades del producto final. Las características de diseño de la máquina deben proveer un equilibrio adecuado que permita la utilización óptima de cada etapa y flexibilidad para obtener variaciones en el peso básico del papel, dentro de los marcos de diseño del equipo . La máquina de formación plana o tipo Fourdrinier, que data de 1799, ha sido y continúa siendo aún el equipo más generalizado (Fig. 115) . La máquina Fourdrinier ha evolucionado, considerablemente, acorde con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, haciéndose cada vez más compleja y perfecta. En los primeros años del presente siglo, se introdujo el rodillo couch de, succión, que permitió incrementar las velocidades por encima de 450 m/min. A velocidades por encima de 550 m/min, surgieron dificultades en la transferencia de la hoja a la sección de prensas . La introducción del rodillo de transferencia o pick-up, presente en todas las máquinas

modernas, eliminó estos inconvenientes y permitió incrementar la velocidad. En la actualidad se alcanzan velocidades de 1 000 m/min, anchos de malla de 10 m, y automatización casi completa del proceso . Existen, también, máquinas destinadas a la producción comercial de pulpa, basadas en los mismos principios . El segundo tipo de equipo, la máquina de cilindros, surgió para dar solución a la producción de cartones de alto peso básico, y se diferencia de la máquina Fourdrinier en cuanto al diseño de la parte húmeda (Fig. 116) . El proceso ocurre por deposición sucesiva de capas de pulpa, formadas en cilindros, sobre un paño portador. Otros diseños en uso incluyen combinación de Fourdrinier y cilindros, y máquinas planas con doble caja cabecera . En la actualidad, es posible fabricar un amplio rango de papeles y cartones, entre 8 y aproximadamente 700 g/m2. La utilización de cilindros formadores, máquinas planas de doble caja cabecera, y combinación Fourdrinier-cilindros, permite obtener cartones con diferente estructura de capas, empleando, por ejemplo, pulpa blanqueada solamente en la capa externa del producto . 13.2.2 Nuevos desarrollos Durante la década de 1960, se comenzaron a desarrollar máquinas de doble malla, y a partir de 1970, cobró auge su introducción progresiva en instalaciones comerciales . El principio de la máquina Inverfom, es el precursor de las máquinas de doble malla. Actualmente, se fabrican diversos modelos . Entre las ventajas de las máquinas de doble malla están: 1 . Reducción o eliminación de las desigualdades entre ambas caras del papel. 2. Disminución de la longitud de la zona de formación . 3. Reducción del espacio requerido para la parte húmeda. 4. Posibilidades de incremento de velocidad y productividad del proceso. 5. Mejoras en la formación y atenuamiento de los problemas ocasionados por la baja resistencia de la hoja húmeda. 6 . Reducción en el consumo de energía. En la figura 117 se muestran algunos diseños de equipos de doble malla.

N N

W O U W N O O

a

N

ó c~

24 1

DQDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

c) Al

e)

ol

t)

Fig. 117 Algunos métodos de formación de papel, basados en doble malta. A. Delbaire. B. Inverform. C. Symformer. D. Papriformer. E. Verti-forma.

13.2.3 Descripción del proceso En la figura 118 se muestra un diagrama de flujo del sistema de entrada de pasta y de una máquina de papel convencional del tipo Fourdrinier . La pasta mezclada- se dosifica a consistencia regulada, generalmente 3 ego, a la caja de nivel constante, el exceso retorna a la cuba de la máquina . La pasta se introduce, por gravedad, en la succión de la bomba mezcladora conectada al foso de la malla, donde se mezcla con agua blanca, se reduce la consistencia y se bombea hacia la caja cabecera de la mátlgina, .pasando, previamente, por el sistema de olásifícación y depuración . El flujo de pasta fresca se regula mediante la llamada válvula de peso básico. Normalmente, la misma se opera por control re-

moto, y en sistemas modernos, puede ser gobernada, automáticamente, a través de un lazo de control . Antes de su entrada a la máquina de papel, la pasta debe sufrir un proceso que se lleva a cabo, generalmente, mediante clasificadores y depuradores centrífugos . Usualmente, se emplean 3 etapas de depuración que tienen como objeto remover impurezas y partículas que no cumplan las especificaciones admisibles de densidad y tamaño. Por lo general, la depuración precede a los clasificadores . El aceptado de la primera etapa de depuración se envía al sistema de clasificación. En esta última etapa se remueven las impurezas de acuerdo con el criterio de tamaño. Frecuentemente, se emplean 2 etapas. En instalaciones anteriores se empleaban coladores abiertos. Éstos han sido desplazados por equi-

AGUA FRESCA

Fig. 118 Diagrama de finja del si .slcrnq de entrada de pasta y máquina de papel.

242

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

pos presurizados, los más utilizados son los modelos Selectifier y Centriscreen . La pasta aceptada se envía a la caja cabecera de la máquina . El rechazo del clasificador puede ser removido de manera continua y procesada a través de una segunda etapa, normalmente consistente en coladores vibratorios . En algunos casos, se instalan en el sistema de entrada, equipos de aeradores que operan bajo vacío, con el propósito de remover el aire de la pasta . Esta operación contribuye a eliminar la espuma y mejora, además, el drenaje y formación de la pasta sobre la malla . El equipo más común es el Deculator, que se instala en combinación con los depuradores centrífugos. En tales casos, se requiere, normalmente, una segunda bomba mezcladora antes de enviar la pasta a los clasificadores presurizados . Otro de los desarrollos recientes, proveniente del campo de la química del papel, es el empleo de aditivos auxiliares de retención y drenaje . Su utilización se ha extendido a causa de las ventajas económicas que reportan, las principales son : su capacidad de mejorar el drenaje de la pasta sobre la malla, posibilitando incrementos de producción, la retención de finos, rellenos y demás partículas de naturaleza coloidal y la reducción en el consumo específico de vapor en el secado. Los productos auxiliares de retención y drenaje se introducen en dosis reducidas, del orden de 2 - 3 kg/t de papel, en la línea de pasta a la entrada de la caja cabecera . En la industria papelera de bagazo estos aditivos son muy ventajosos, ya que, en muchos casos, las máquinas de papel han sido diseñadas a partir de la tecnología maderera, la longitud de la malla y la capacidad de drenaje son insuficientes para pastas de fibra corta que requieren un mayor tiempo de formación . La utilización de estos aditivos ha sido ensayada en la industria papelera cubana, encontrándose en proceso de introducción . Existen numerosos diseños de sistemas de entrada a la caja cabecera. El propósito esencial de la operación es distribuir el flujo de pasta, con la mayor uniformidad posible, a todo lo ancha de la máquina . La pasta se transfiere a la malla a través de la abertura o "labio" de la caja cabecera. La consistencia de la pasta cabecera varía de acuerdo con el peso básico, tipo de papel y características de diseño de la máquina. Generalmente, oscila entre 0,5 y 0,7 "/o . Una consistencia baja favorece la formación . En términos generales, la consistencia de entrada es menor cuanto más bajo sea el peso básico del papel . La pasta debe ser depositada sobre la malla, a una velocidad cercana a la de esta última . En máquinas modernas, las velocidades son altas, por lo cual se utilizan cajas cabeceras cerradas, en las cuales se complementa la

presión hidrostática del fluidocon aire comprimido. Una vez depositada la pasta sobre la malla, comienza el proceso de remoción del agua. Para este propósito la mesa formadora cuenta con elementos auxiliares distribuidos a todo lo largo de la misma . Los elementos tradicionales o rodillos de mesa, efectivos a velocidades inferiores a los 600 m/min, presentan problemas a mayores velocidades, y han sido desplazados, en máquinas modernas, por rodillos ranurados, y, fundamentalmente, tablillas de drenaje o foils. Estas últimas también pueden ser cerradas bajo la acción de vacío . Al alcanzar consistencias en el rango de 2 - 3 %, se introducen cajas de vacío, cuya cantidad oscila, y pueden llegar, normalmente, hasta 8, con un incremento gradual del vacío aplicado . La hoja finaliza su recorrido al llegar al extremo húmedo de la máquina, en el cual se encuentra el rodillo couch. En ese punto se inicia el retorno de la malla y la separación de la hoja . Poco antes de éste, se encuentran 2 duchas de agua, a alta presión, destinadas a cortar las tiras a ambos extremos transversales de la máquina, con el propósito de uniformar el ancho y eliminar las irregularidades en los bordes, que pueden provocar roturas en las etapas posteriores del proceso . El rodillo couch está provisto de una caja de vacío. Al salir de la parte húmeda, la hoja alcanza sequedades de 18 - 20 %, y pasa, posteriormente, a la sección de prensas . La transferencia de la hoja del extremo húmedo a la sección de prensas, es una de las fases más críticas del proceso . En la actualidad, casi todas las máquinas planas están provistas de rodillo de transferencia o pick-up . Las pulpas de bagazo y de otras materias primas de fibra corta, se caracterizan por menores propiedades de drenaje que las pulpas convencionales de maderas coníferas y requieren mayores tiempos de formación en la malla de la máquina papelera . De ahí que la longitud de ésta debe ser 20 - 30 % mayor para pasta de fibra corta. A la salida del extremo húmedo de la máquina, la hoja se transfiere a la sección de prensas . En máquinas con rodillo de transferencia o pick-up, la caja de vacío de éste desprende la hoja de la malla que pasa a ser transportada por un paño. La hoja pasa, posteriormente, a otro paño en la prensa de transferencia, provista también de succión y sigue entonces, su recorrido sobre este último paño hacia la primera prensa (Fig. 119) . La sección de prensas, generalmente, consta de 3 etapas, las 2 primeras de succión y la tercera llamada alisadora. En sistemas modernos la hoja se transfiere directamente a la primera prensa . En la figura 120 se muestran secciones de prensa utilizadas para la producción de papel de imprenta y escribir de bagazo .

243

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

Actualmente, los diseños tienden a la reducción del recorrido de la hoja con el paño pick-up, y hacia sistemas más compactos, como los que se muestran en la figura 121 . La reducción de los recorridos abiertos favorece la operación con pastas de bagazo y, en general, de fibra corta, caracterizadas pormenor resistencia de la hoja húmeda.

Fig . 119

Sistema pick-op con prensa de tr~erendo. 2a PRENSA DE SUCCION

RODILLO DE TRANSFERENCIA

aro PRENSA (ALISADORA)

la PRENSA INVERSA DE SUCCION SECADOR

PRENSA INVERSA

tESCHER-WYSS)

Fig. 121

(400 m/m(a)

3ra PRENSA (ALISADORA)

RODILLO DE TRANSFERENCIA CON TRIPLE SUCCION (la PRENSA)

COM-PRESS

(BELOIT)

l 2a PRENSA RANURADA (VENTA -NIP)

SECADOR

(470m/m(n)

Arreglos de la sección de prensas en mdgninas para la producción de papel de imprenta y escribir de bagazo. Fig. 120

Ejemplos de arreglo de prensas cidad.

a

alta velo-

Las pastas de bagazo muestran mayor tendencia a pegarse a los rodillos, por lo cual es necesario ajustar, cuidadosamente, las presiones aplicadas y efectuar una correcta selección de los paños. Es importante incrementar, progresivamente, la presión de contacto, pues si se exceden los límites permisibles en cada contacto se puede producir deterioro de la estructura de la hoja e incrementar las marcas de los paños. La sequedad de la hoja a la entrada de los secadores está condicionada, tanto por factores de diseño y económicos, como por las características de la pasta, peso básico y condiciones óperacionales . En general, con pastas de fibra larga se alcanza de 36 a 40 a/D de sequedad . Para pastas de menor drenaje, el valor puede oscilar entre 34 y 38 Dh . A la salida de las prensas, la hoja es introducida en la sección de secado, provista de secadores cilíndricos calentados con vapor, que tienen a su cargo completar el secado del papel. El proceso de secado se lleva a cabo mediante transferencia simultánea de masa y calor.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

244

En la parte húmeda se remueve entre 96 - 97 % del agua originalmente presente en la pasta antes de ser depositada sobre la malla ; de l - 2 % corresponden a la sección de prensas y entre 1 - 1,5 % a la sección de secado . Sin embargo, en esta última etapa, para incrementar la sequedad del papel desde 35 - 40 "io hasta 93 - 95 %, se requieren hasta más de 40 secadores en máquinas de alta velocidad, distribuidos en 3 ó más secciones o grupos . Los cilindros de cada grupo operan a la misma velocidad y poseen paños comunes . El papel va pasando de un cilindro a otro, en contacto, por una cara, con la superficie del cilindro, y, en la otra, con el paño correspondiente. Cada sección posee, por lo tanto, recorridos superiores e inferiores de paño, para los respectivos secadores . En máquinas modernas de alta velocidad, la mayor parte de la evaporación ocurre a la salida del papel de las zonas de contacto, por lo .cual, son de gran importancia no solamente la distribución de temperaturas a lo largo de la sección de secado, sino también la temperatura, humedad relativa y velocidad de circulación del aire circundante . Las velocidades entre las secciones deben ser ajustables para regular los tiros del papel, a causa del proceso de encogimiento . Los papeles de pulpas de bagazo presentan mayores índices de encogimiento con respecto a pulpas de fibra larga y son del orden de 7 a 9 ayo . En la tabla 155 se muestran los porcentajes de encogimiento de varias pulpas secadas al aire a diferentes niveles de drenaje . TABLA 155 Encogimientos durante el secado al aire, a diferentes niveles de drenaje (en tanto por ciento) Tipo de pulpa

Orenabilidad, CSF (ml) 500 350 200

Fibra larga: Sulfito blanqueada

2,1

3,1

4,6

Sulfato blanqueada

2,7

3.8

5,6

Bagazo, soda blanqueada

5,6

7p

9,5

La expansión en húmedo del papel, se incrementa al aumentar el encogimiento durante el proceso de secado . De ahí que en la producción de papeles de impresión, con alto contenido de pulpa de bagazo, en los cuales es de suma importancia la estabilidad dimensional, es recomendable conducir el proceso de secado, gra-

dualmente, y mantener alta tensión en los fieltros de los secadores para reducir el encogimiento de la hoja. Cada tipo de papel requiere un perfil. característico de temperatura, que desde un punto de vista general obedece a los mecanismos de secado prevalecientes en cada zona de la sección de secadores . Particularmente, en el caso de papeles a partir de pulpas de bagazo y de fibra corta, se requiere un perfil de secado atenuado, que evite incrementos bruscos de temperatura que puedan ocasionar deterioro, pandeo y alabeo del papel . A la salida de los secadores, el papel sufre el proceso de calandreado, en el cual atraviesa las zonas de contacto entre varios rodillos superpuestos, que ejercen un efecto de cizallamiento sobre su superficie . El calandreado incrementa la lisura superficial y uniformiza el calibre o espesor de la hoja. De ahí, el papel pasa a la bobinadora donde se enrolla sobre un cilindro de acero . La fase final se lleva a cabo en la rebobinadora-cortadora, que opera a mayor velocidad que la máquina de papel, y en la cual este último se transfiere a bobinas comerciales con centros de cartón, y, eventualmente, se divide en bobinas de menor ancho. Antes de pasar al almacenamiento, las bobinas se cubren con papel protector y se identifican . En el proceso de producción se recuperan los bordes húmedos y secos cortados en los respectivos extremos de la máquina. El sistema debe estar también preparado para el procesamiento del papel fuera de especificaciones y rotura húmeda. 13.3 BALANCES En las figuras 122 y 123 se muestran balances de sólidos y de pasta para la producción de 100 r de papel . En una fábrica de papel moderna, el diseño permite reducirlas pérdidas de fibras a un valor mínimo, inferior a 1 % del papel producido. Prácticamente, las únicas pérdidas deliberadas e inevitables del sistema ocurren en la descarga de rechazos de clasificación y depuración. Otras pérdidas se pueden originar en las prensas, con las duchas de limpieza, cajas de vacío y cuchillas limpiadoras de los rodillos . El proceso de drenaje de la pasta y formación del papel, involucra una enorme cantidad de agua, gran parte de la cual es recirculada dentro del sistema de pasta de la propia máquina de papel . El resto es enviado a la sección de preparación de pasta y procesado a través del recuperador de fibra. Este equipo tiene a su cargo, también, la recepción de los bordes húmedos y secos del papel, que se originan en los extremos respectivos de la máquina. Su función

~M~ DE ~A

CUBA DE MAQUINA

AL RECUPERADOR DE FIBRA 8,55

CAJA DE NIVEL

1,35

102,36

neoo

RECIRCULACION 61,98 RECIRCULACION 7,80

BOMBA

MEZCLADORA

21 1 36

193,50

5,97

J v 4Qu

DEPURACION DE LA PASTA

/i

lv

178,00 0,10 RECHAZOS

CLASPICACION DE LA PASTA 8,00

170,00 CAJA CABECERA

0,20

170,00 MESA FORMADORA Y TANQUE OE LA

5,97

MALLA

RECIRCULACION

PAF

RECIRCULACION 63,33

100.70 CAJAS DE VACA Y TANQUE SELLO

0,075

AL RECUPERADOR DE FIBRA 1,43

99,20

EXTREMO HÚMEDO

BORDES HÚMEDOS

4,25

BASES OE CALCULO PRODUCCION-100

PRENSAS 94,50

0,5

SECADORES 94,50

,022

Bon

_t

EN

J

A 7% HUMEDAD

24 h

: EFICIENCIA 100 % PESO BÁSICO BO 9/m a

VELOCIDAD DE MÁQUINA: SOOm/min. ANCHO EN BOBPIADORA,

4,46m

BORDES SECOS 1,52

93,00

7 % NUMEDAD A 100 )

Fig. 122

Balance de sólidos para la producción de 100 . de paoeL

_BASES _DE CAILULO ; CUBA DE LA MAQUINA

PROOUCCION :100 I f/24 A A 7 % HIBEOAD EFICIENCIA , 100 % PESO BA91CO r 80 9/a`

VELOCIDAD : 500 a/dn. ANCHO EN SOBINADORA :4,48e

5,97/0,23/1833 RECIRCULACION

PL 123 Balancd dd pasta para

la

prodgccldn de 100 t de pa~

8,55/0,25/ 2417 AL RECUPERADO DE FIBRA

INDUSTRIA DE CELULOSA Y PAPEL A PARTIR DEL BAGAZO

fundamental es espesar los sólidos provenientes de la máquina para su reintroducción controlada al proceso, y separar el exceso de agua con la mínima concentración posible de sólidos suspendidos . La eficiencia de operación del recuperador de fibra es decisiva para minimizar las pérdidas de agua y fibra . Normalmente, el equipo está sobrediseñado con respecto a su flujo normal para operación a máxima eficiencia en la máquina de papel, a fin de poder asimilar las sobrecargas ocasionadas por roturas, exceso de agua blanca provocada por disminución en la retención sobre la malla u otros desequilibrios, y papel fuera de especificaciones . Las pérdidas de sólidos y agua del proceso están estrechamente relacionadas con el diseño del recuperador, estabilidad de la operación y características de la pasta. La tendencia actual, motivada tanto por razones de índole económica, como por consideraciones y regulaciones de contaminación ambiental, es el cierre casi completo del circuito de agua del sistema . La utilización del agua recuperada en las duchas de la máquina y reguladores de consistencia es, entre otras, una medida que tiende al logro de ese objeto. De esta forma, se puede reducir el consumo de agua desde niveles de 100 mllt o más de papel, hasta valores del orden de 20 malt. En la práctica, sin embargo, no es fácil cerrar el circuito de agua blanca a niveles mayores de 90 - 95 % . No siempre es posible lograr un equilibrio en la retención de finos y rellenos sobre la malla, que permita operar, eficientemente, la máquina. Esto es particularmente importante en la producción de papeles con pastas de fibra corta, que contienen proporciones relativamente altas de finos. A veces, se producen también problemas, ocasionados por el incremento en la concentración de especies iónicas y otras sustancias solubles en el agua blanca, que pueden afectar el pH y el escolado, y, en general, alterar el equilibrio químico y coloidal del proceso. En fábricas basadas en pulpa de bagazo, se han obtenido buenos resultados con el uso de auxiliares de retención y drenaje. En general, se reporta para fábricas que operan con pastas de fibra corta, la posibilidad de alcanzar índices de consumo del orden de 25 - 30 m3lt para calidades no blanqueadas, y de 40 - 60 m31t para papeles blancos. En lo que respecta al consumo de energía, el área de preparación de pasta y la máquina de papel, demandan energía eléctrica y vapor para los siguientes conceptos fundamentales :

247

1 . Sistema motriz de la maquina (parte húmeda, prensas, secadores, calandria, bobinadora y rebobinadora) .(Energía eléctrica o vapor.) 2. Secado del papel (vapor) . 3 . Repulpeo y refinación de pulpa. 4. Bombas y agitadores. 5 . Bombas de vacío. El consumo de energía, exceptuando el secado, depende de las características del sistema de preparación de pasta, velocidad y diseño de la máquina, y de otros factores, y puede variar entre 400 y 500 kW.hlt de papel. Aproximadamente la mitad corresponde a la máquina y al sistema de vacío . El secado del papel consume, normalmente, entre 3,5 y 4,5 t de vapor por tonelada de papel. 14 La industria de celulosa y papel en Cuba Cuba cuenta, actualmente, con 3 fábricas integradas para la producción de papel y cartón que utilizan como materia prima el bagazo de la caña de azúcar (Tab. 156) . Existen, además, 3 fábricas no integradas con un total de 6 máquinas de papel y cartón . La capacidad de producción anual excede las 100000 t. En la actualidad, se lleva a cabo un programa de desarrollo que comprende la ampliación y modernización de las capacidades instaladas, y la creación de otras nuevas . Las inversiones en ejecución incluyen: 1 . Ampliación y modernización de las empresas integradas . 2. Instalación de una línea de papel sanitario con capacidad de 8 000 t anuales, empleando como materia prima fundamental pulpa de bagazo . 3. Construcción de un nuevo combinadó con capacidad anual de 60 000 t de papeles de imprenta y escritura de alta calidad. 4. Instalación de una fábrica de cartón y cartulina con una capacidad de 50000 t anuales .

24 8

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR TABLA 156 Características generales de las fábricas de celulosa y papel cubanas Empresa Técnica Cubana

Empresa Pulpa-Cuba

Empresa Damují

desmedulamiento

Zarandas

Desmeduladores Horkel

Cernidores

Almacenamiento

Granel

Pacas

Pacas

Proceso

Soda discontinuo

Soda continuo

Soda discontinuo

Tipo de pulpa

Química

Química

Semiqufmica

Blanqueo

Hipoclorito (una etapa)

CEH

Máquina de papel

Fourdrinier

Fourdrinier

Equipos de

Capacidad promedio toneladas secas al aire/alío Surtidos de papel y cartón

20000 Imprenta y escribir

Fourdrinier

24000 Imprenta y escribir

18000 Cartoncillo, cartulina, linerkraft

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Capítulo IX PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR JOSÉ

VILLAR DELGADO

RAFAEL CAÑETE AGuiLERA

1 Introducción Los derivados de la caña de azúcar, de la misma manera que otros materiales vegetales, dan, por hidrólisis química, productos que pueden tener un alto valor industrial . Los polisacáridos presentes en estos materiales se transforman, durante la reacción de hidrólisis, en azúcares reductores, fuente de procesos fermentativos para la obtención de productos valiosos, como son, entre los de mayor interés : la levadura forrajera y el alcohol etílico . Así mismo, mediante el proceso de hidrólisis de las pentosanas, que forman parte de los polisacáridos en los materiales vegetales, y la posterior deshidratación de las pentosas, se obtiene el furfural, un producto químico de amplia aplicación industrial.

ALBERTO GARCÍA GARCíA

tacto con el aire, se oscurece paulatinamente . Sus propiedades físicas fundamentales se muestran en la tabla 157 . El furfural se puede obtener, en general, de cualquier materia prima que contenga pentosanas . Durante la hidrólisis, que es la primera etapa del proceso, las cadenas de pentosanas se descomponen en pentosas . En la segunda etapa, las pentosas, mediante una reacción de deshidratación, dan lugar al furfural . Ambas reacciones -hidrólisis y deshidratación- se ven favorecidas por el aumento de la temperatura y la presencia de un catalizador ácido . En las figuras 124 y 125 se muestran los modelos esquemáticos para estas reacciones. Como se observa en la figura 125, en el proceso tienen lugar las reacciones de condensa-

2 Furfural : obtención y aplicaciones El furfural (2-furfuraldehído) C4H30CHO, recién destilado, es un líquido incoloro, que al conTABLA 157 M'OH

Propiedades físicas del furfural Gravedad específica (20 °C) Temperatura de ebullición (760 mm) Temperatura de fusión índice de refracción N20 D

Tensión superficial (20°C)

1,160 g/cm" 161,7

'C

-36,5

°C

H

nH'OH

OH

H

1,5261 49

M*OH

dylem

Viscosidad (cP) 25 *C

1,49

38 'C

1,35

54'C

1,09

99 'C

0,69

Constante dieléctrica (25 °C) Temperatura de ignición

M-C-C-M

38 315-357

'C

0

-CHO

Fig. 124 Representación esquemática de las etapas para ta obtención de furtural.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

25 2

I .Transformacion do pentosonas an pcntosas ( hidrólisis n . Ce H,a 0e

(Came OJ n + n . H20 2 .Transformación

de

pcntosas an Furfural

( deshidrataclón) -~ n Cs H4 02

(Ce Hiog ) n

n.

3 Ha 0

3 . Mecanismo propuesto por Schosnemam Pentagon*$

-e" Pentosas --: Productos -~ Furfural --d. Resinas de intermedios furfural Productos de condensación Fig, 125 Reacciones de formación de furfural .

ción y resinificación que ocasionan pérdidas de furfural . Estas reacciones también se favorecen por la elevación de la temperatura y la presencia de catalizadores ácidos en el sistema reaccionante . La dependencia de las constantes de velocidad (k) con la temperatura, para las reacciones involucradas en la formación del furfural se presentan en la figura 126. Dadas las características anteriores, es preciso tener en cuenta que para hacer un mínimo las pérdidas de furfural durante el proceso se debe extraer este producto, lo más rápidamente posible, del sistema reaccionante . El Furfural se obtiene, en escala industrial, desde 1922 . Hoy día, se produce en muchos paí-

ses a partir de diferentes materias primas, principalmente de residuos forestales y agrícolas. Las

TABLA 158 Contenido de pentosanas y rendimiento industrial de furfural de algunos materiales vegetales (44 sobre materia seca)

Materia prima Tuzas de maíz

30-32

10

Cáscaras de avena

32

10

Cáscaras de almendra

30

9-10

25-27

8-9

Cáscaras de algodón

27

9

Cáscaras de avellana

24

7-8

Bagazo adnmnrposleWr do vn1ownds

DwmndaWNdr de

IN

aooo

RMMrbnidn do forroral Cardonao" dn %rlwol

Fig. 126 Dependencia de la constante de velocidad (k) c0n la temperatura, en las reacciones de formación de

Furfural.

Rendimiento industrial de

Contenido de pentosanas(%)

Furfural(%)

Madera de haya

21-7A "

6-8

Cáscaras de girasol

23-25

6"7

Cáscaras de arroz

19 .21

5-6

Residuos de oliva

21 .23

5-6

materias primas más utilizadas y su contenido de pentosanas se muestran en la tabla 158.

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZOCAR 2 .1 PROCESOS TECNOLOGICOS PARA LA PRODUCCION DE FURFURAL En escala industrial, el furfural se obtiene mediante diversos procesos tecnológicos, pero que se pueden resumir en 3 variantes fundamentales: 1 . Procesos discontinuos . 2. Procesos continuos . 3 . Procesos secundarios de otras industrias. Los procesos discontinuos se diferencian entre sí, principalmente, por el tipo de catalizador utilizado. En la actualidad, están instalados protesos que emplean ácido sulfúrico (proceso Quaker Oats) y ácido fosfórico (proceso Agrifuran) . En lo fundamental, el proceso discontinuo consta de un reactor o batería de reactores dentro de los cuales se carga la materia prima, que se impregna con el catalizador ácido . Al reactor se suministra vapor de agua, que sirve como medio de calentamiento y, al mismo tiempo, para arrastrar el furfural formado que se extrae rápidamente del sistema, se condensa, neutraliza y conduce a la sección de destilación, donde se obtiene el producto con la pureza requerida . En la figura 127 se muestra un esquema de este proceso.

253

Los procesos continuos se caracterizan por no emplear catalizadores externos . El ácido acético, que se forma a partir de los grupos acetilos presentes en la materia prima, se aprovecha como catalizador de las reacciones que dan lugar a la formación del furfural . En el proceso continuo, la materia prima es alimentada al reactor que se encuentra a la presión de trabajo -alrededor de 10 atm- y se desplaza, a contracorriente, con el vapor de agua que arrastra fuera del equipo el furfural formado. Posteriormente, de la misma manera que en el proceso discontinuo, el furfural se condensa, neutraliza y purifica hasta obtener el producto deseado . Los procesos continuos emplean diferentes dispositivos de alimentación de la materia prima, de acuerdo-con el tipo de material que se trate, ya sea éste granular o fibroso . De esta forma, para materiales granulares se emplean, con éxito, las válvulas rotatorias, pero en el caso de materias primas fibrosas, es necesario emplear equipos tales como: el tornillo alimentador y la válvula de compuertas, estos últimos dispositivos son mucho más complejos y costosos, requieren un mantenimiento frecuente y consumen gran cantidad de energía . La alimentación de bagazo, material fibroso por excelencia, se convierte, por tanto, en un problema vital para su empleo en el método continuo . En escala industrial, se han empleado válvulas de compuertas para alimentar bagazo a reactores continuos, pero los resultados con este tipo no se pueden considerar aún satisfactorios . En la figura 128 se presenta un esquema del proceso continuo .

Fig. 127 Esquema tecnológico de la producción de furfural por, el método discontinuo. 1. Tanque de me.~n. 2. Tanque de ácido. 3. Mezclador. 4. Digestores. 5. Prensa de tornillo. 6. Condensador-generador de vapor secundario . 7. Columna de destilación 8. Condensadores. 9. Decantador. 10. Column a de ligeros. 11. Colum na de deshidratación. 12 . Almacenamiento de furfural. 13. Almacenamiento de ligeros. 14 . Enfriador.

254

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

Fig. 128 Esquema tecnológico de la producción de furfural por el método continuo. 1. Recipiente preimpregnado. 2. Conductor de tornillo. 3. Dispositivo alimentador, 4. Reactor vertical, 5. Tanque flash . 6. Condensador. 7. Tambor de vapor . 8. Tanque de condensado. 9. Columna de metanol . 10. Condensador. 11. Alma cenamiento de metanol. 12. Condensador. 13. Columna de destilación. 14. Condensador. 15. Separador. 16. Tanqu e de disolver carbonato. 17. Tanque neutralizador. 18. Columna de deshidratación. 19 . Condensador. 20. Separador de gotas. 21. Condensador. 22. Almacenamiento de furfural.

El furfural se obtiene, también, como subproducto de otras industrias que procesan materiales vegetales, como es el caso de la industria hidrolítica que produce sustrato para fermenta ción, empleado en la producción de levadura forrajera y alcohol etílico, y de la industria papelera que elabora pulpa química y semiquímica por tecnología ácida. En la producción de furfural se obtiene, como principal subproducto, el residuo lignocelulósico . Este residuo representa de 70 a 80 % de la materia prima seca que se procesa y se han encontrado para el mismo distintas aplicaciones . La más importante es su utilización como combustible que puede proporcionar toda la energía que consume la planta, en forma de vapor, más un exceso que puede ser aprovechado para producir energía eléctrica con fines de autoconsumo y comercial. Otros usos del residuo son : como materia prima para la producción de carbón activado; para la producción de lignosulfonatos, que se emplean como aditivos en la industria del cemento ; en la obtención de derivados nitrados de la lignina como el AQNP (ácido quinónico policarboxílico) que se ha usado con éxito como estimulante del crecimiento de las plantas y otros. Como subproducto en la producción de furfural se obtiene, también, una mezcla de metanol y acetona de calidad técnica que puede tener uso industrial . Ésta se obtiene en proporción de 200 - 300 kg/t de furfural. De los residuos de destilación puede ser recuperado el ácido acético que se forma durante la reacción de los grupos acetilos que contiene la materia prima . La cantidad de ácido acético es de 500-600 kg/t de

furfural . La recuperación de este subproducto debe estar sujeta a un análisis económico y de mercado . 2.2 APLICACIONES DEL FURFURAL Los usos del furfural se han multiplicado en los últimos años y, consiguientemente, la demanda de este producto ha crecido de forma rápida hasta alcanzar hoy día, según estimados, más de 300 000 t/a . Un gran peso, en el fuerte crecimiento de la demanda, lo tiene el incremento en la utilización de los derivados del furfural, fundamentalmente el alcohol furfurílico que es el componente principal de muchas resinas furánicas . Estas resinas se consumen, en gran escala, en la industria de la fundición como aglutinantes de las arenas de moldeo . Las ventajas que estas resinas poseen son: conferir mejores propiedades físico-mecánicas a los moldes y machos, favorecer el desprendimiento de las arenas, lo que aumenta la productividad del trabajo y mejora la calidad de las piezas fundidas, ya que los moldes presentan alta precisión en las dimensiones y un excelente estado en su superficie. El furfural se emplea, también, como solvente selectivo en las tecnologías de producción de aceites minerales, aquí el furfural se usa para separar compuestos cíclicos insaturados, lo que aumenta, considerablemente, la viscosidad de los aceites lubricantes, incrementa la resistencia a la oxidación y disminuye su contenido de azufre y residuos de carbono. Se utiliza, además, el furfural para la refinación de aceites animales y vegetales y en la concentración de

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZQCAR

las vitaminas A y D que se extraen del aceite de hígado de pescado . El furfural se aplica, con éxito, en la separación de compuestos con pequeñas diferencias en sus puntos de ebullición por medio de destilación extractiva . Un ejemplo es la síntesis del butadieno donde mediante la adición de furfural es posible separar los hidrocarburos C, del petróleo, al alterarse las relaciones normales de volatilidad, por lo general, muy pequeñas, que existen entre los componentes . El furfural se emplea en la síntesis de resinas con acetona, urea, formol, etc ., que tienen utilización como materiales anticorrosivos, plásticos de moldeo, pinturas anticorrosivas, aglutinantes y otros usos. La preparación de productos con actividad biológica, es otra de las aplicaciones importantes del furfural . En la actualidad, se comercializan derivados del furfural que se emplean como plaguicidas, tal es el caso de la piramina, utilizada en las plantaciones remolacheras . También se fabrican fármacos entre . los que se encuentran la furantoína,furazolidina,etc . Los productos derivados del furfural : alcohol furfurílico, tetrahidrofurano y alcohol tetrahidrofurfurílico, tienen así mismo muchas aplicaciones en las industrias química, textil, farmacéutica y otras . 2.3 FURFURAL A PARTIR DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR Las derivados de la caña de azúcar, bagazo, meollo, paja y cogollo, son materias primas

25 5

potenciales para la producción de furfural . Se han realizado diversas investigaciones con el objeto de determinar los métodos y condiciones más apropiados para producir furfural a partir de estos materiales . 2.3 .1 Furfural de bagazo, paja y meollo El bagazo, el meollo y la paja, se han estudiado, en escala de planta piloto, para la obtención de furfural por el método discontinuo, con empleo de ácido sulfúrico como catalizador. El equipamiento utilizado se representa en la figura 129. La materia prima se mezcla con el ácido sulfúrico en el equipo impregnador, donde se alcanza el hidromódulo requerido, posteriormente se carga el reactor, por la parte superior, y se cierra herméticamente . Se comienza el calentamiento del material con alimentación de vapor, por la parte inferior del reactor y, pasado un tiempo, se realiza la extracción de gases incondensables . Una vez alcanzada la temperatura inicial de reacción se empieza la, extracción de vapores que contienen . el furfural formado. Los vapores pasan a un intercambiador de calor donde se condensan y enfrían para ser enviados, con posterioridad a un tanque recolector : La temperatura de reacción se va incrementando, escalonadamente, hasta el valor establecido para el experimento . El reactor em,pleado es de acero inoxidable con una capñciáaMe 350 1 y está provisto de instrumentos para la medición de la presión y la temperatura . Las características

TANQUE (4) FIQ. 129 Esquema del equipamiento de planta piloto para la produccidn de fttrfural por el método discontinuo.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

25 6

TABLA 159

3 vio se obtienen elevados rendimientos de ácidos orgánicos, lo que evidencia una notable destrucción de furfural . El rendimiento de ácidos orgánicos en los regímenes sin ácido sulfúrico y con 1 % del mismo fue prácticamente igual, lo que indica que la descomposición de furfural con este consumo de ácido es pequeña . Los regímenes empleados para la paja se muestran en la tabla 161 . En este caso, para consumo pequeño de ácido sulfúrico y condiciones de temperatura y tiempo de digestión similares a los empleados para el bagazo, se obtiene$ bajos rendimientos . Esto es explicable por el mayor contenido de ceniza de la paja respecto al bagazo (Tab. 159), lo que implica un gasto de ácido en la neutralización de la ceniza activa y una disminución en la cantidad efectiva del agente catalizador. El régimen 5, con 10,6 % de rendimiento en furfural y un consumo de ácido de 3,5 %, presenta las mejores condiciones para llevar a cabo el proceso . Algunas de las propiedades físicas de la paja no son ventajosas para el proceso, como es el caso de su menor superficie especifica, que di. ficulta el contacto entre las fases, y su baja densidad, que limita la productividad de los reactores. La probabilidad del empleo de paja de caña como materia prima para la producción de furfural en escala industrial depende, en gran medida, de la solución económica de los problemas de recolección y transporte de este material desde sus fuentes, principalmente, los centros de acopio de caña, hasta el lugar donde va a ser procesado .

Características fisicokluímicas del bagazo y de la paja Componentes

Bagazo

Paja

9,24

10,47

90,00

70,00

Ceniza (%)

1,59

7,34

Ceniza activa (%)

0,33

1,84

Pentosanas (%)

27,26

26,00

Celulosa (%)

48,60

45,80

Lignina (%)

20,00

20,80

Rendimiento teórico (%)

17,60

16,26

Humedad (%) Densidad (kgfm3)

fisicoquímicas para el bagazo y la paja se muestran en la tabla 159 . El hidromódulo (peso de liquido/peso de la materia prima seca) para el bagazo se fijó en 0,3 y para la paja en 0,25 . En la tabla 160 se presentan los regímenes ensayados con bagazo y los resultados obtenidos . Aunque en todas las experiencias se obtuvieron altos rendimientos de furfural, se muestra como más favorable el régimen 5, ya que con un coas=o de ácido sulfúrico mucho menor que en los restantes, se obtiene un rendimiento comparable. Con consumo de ácido sulfúrico de

TABLA 160 Regímenes de obtención de furfural a partir de bagazo

No.

Consumo de H,S0,fg materia seca Temperatura(*C) (%) Inicial Final

Tiempo de digestidn (min)

Concentración Rendipromedio Rendimiento de miento ácido de furfural (%) furfural orgánico/ en con- Sobre Del fg matederisado materia ted. ria seca (%) seca rico (%)

1

3,0

138

180

60

3,12

12,10

68,7

8,07

2

3,0

138

180

70

2,78

11,80

66,8

8,43

3

3,0

130

170

70

2,62

11,90

67,7

6,10

4

3,0

130

175

70

3,04

12,16

69,0

7,27 .

5

1,0

140

180

80

2,32

10,95

62,2

5,62

sin ácido 170

180

70

1,35

5,95

33,7

5,47

6

257

PRODUCTOS DE LA HIDRóLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 161

Regimenes de obtención de furfural con el empleo de paja de calla Como materia prima

No.

Consumo de H,SO4 /g materia seca Temperatura(C) Inicial Final (%)

Tiem . po de diges-

tidn (min)

Concen. tracidn promedio de furfural en condensado (46)

Rendi-

miento dcido orgdnicof Sobre Del Ig matemateria ted- ria seca (96) seca rico

Rendimiento de furfural (Wo)

1

1,96

150

180

60

1,72

7,6

46,6

3,9

2

1,90

170

175

80

1,41

7,9

48,5

4,3

3

2,50

170

175

80

1,68

9,4

57,6

4,0

4

3,00

170

175

80

1,47

9,2

56,5

4,7

5

3,50

160

175

80

2,17

10,6

65,0

5,0

6

3,90

150

180

70

2,10

9,6

59,0

4,4

7

5,10

150

180

60

2,46

10,6

65,0

5,6

No obstante los factores señalados, la paja de caña es una materia prima que se debe tener en cuenta dada las grandes cantidades que cada año se obtienen de este subproducto de la cosecha cañera y para la cual no existen, hasta el momento, aplicaciones industriales importantes . Las experiencias de obtención de furfural de meollo han sido efectuadas en Cuba (ICIDCA) y en la URSS. Las experiencias con meollo en el ICIDCA se realizaron en el sistema que se describe en la figura 129. La composición en tantos por ciento sobre materia seca del meollo empleado es la siguiente : 46

Cenizas activas

1,07

Celulosa

42,5

Pentosanas

23,0

Rendimiento teórico

15,45

P.F.H .

32

P.D.H.

35

Con el empleo del diseño experimental, se determinó que el régimen tecnológico más ventajoso, en la escala utilizada para la obtención de furfural de meollo, por método discontinuo

y ácido sulfúrico como catalizador, es el siguiente : Hidromódulo inicial

0,3

Temperatura

160 °C

Consumo de ácido

3

Tiempo de digestión

60 min

Velocidad de flujo

3,5 módulos/h

Rendimiento de furfural

9,3%

1 módulo/h : Flujo de líquido equivalente al peso de la materia prima seca en 1h El meollo, al igual que la paja, tiene un alto contenido de cenizas activas lo que explica el elevado consumo de ácido, superior en 3 veces al del bagazo . Sin embargo, la gran superficie que presenta el meollo, dada su estructura y granulometría, favorece el contacto con el catalizador y contribuye a disminuir el tiempo de digestión, con relación a las otras materias primas. El arrastre de polvos finos presentes en el meollo con los vapores de extracción, es una de las desventajas que se le sitúan a este material, en su empleo para la obtención de furfural por el método discontinuo . Estos polvos ocasionan

258

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZTTCAR

grandes problemas en los equipos de intercambio de calor y aun de destilación que se ensucian con gran rapidez y requieren un mantenimiento difícil y costoso . En los experimentos realizados, este problema del arrastre de finos se resolvió, en gran medida, con la utilización de una capa de bagazo en la parte superior del reactor, que con una eficiencia apreciable impidió el escape de las partículas más pequeñas fuera del equipo . Se realizaron, también, experiencias con meollo cubano en el "Complejo de Investigación-Producción para la Hidrólisis" de Leningrado, URSS. Los experimentos se efectuaron en un reactor cilíndrico de cobre con 25 1 de capacidad. Se empleó meollo de la siguiente composición, en tantos por ciento sobre materia seca:

Hidromódulo inicial

0,36

Consumo de ácido sulfúrico (oio)

3,65

Temperatura (°C) Inicial

158

Final

174

Tiempo de digestión (min)

90

Concentración de furfural (°io)

2,99

Rendimiento (No)

9,12

P.F.H.

27,4

P.D.H.

36,5

El meollo es uno de los derivados de la caña de azúcar, con mayores posibilidades para ser empleado en la producción industrial de furfural, en lo que respecta a su disposición como materia prima, si se tiene en cuenta las grandes cantidades de este material que se obtendrán en los próximos años como residuo de las industrias de papel y tableros de bagazo .

Rendimiento teórico

18,8

2.3.2 Furfural de cogollo

Se probaron varios regímenes tecnológicos, en todos los cuales se obtuvieron buenos rendimientos de furfural . A continuación se relacionan las condiciones y resultados más favorables que se lograron en los experimentos :

El cogollo de la caña de azúcar ha sido ensayado en escala de laboratorio como materia prima para la obtención de furfural . Los experimentos se realizaron en el equipo que se muestra en la figura 130.

Pl& 130 Equipo de laboratorio para ta obtenetón de Mural a partir del cogollo de la aaíía de azúcar.

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZQCAR

El vapor saturado, procedente de una caldera de vapor, se hace pasar por un sobrecalentador eléctrico donde alcanza una temperatura de 200-210°C, seguidamente el vapor sobrecalentado se alimenta al reactor, en el cual se encuentra el cogollo impregnado en solución de ácido sulfúrico . Los vapores que contiene el furfural formado salen dei reactor, se condensan y recolectan. El cogollo empleado tiene la siguiente composición, en tantos por ciento sobre materia seca: °io P.F.H.

32,60

P.D.H.

37,80

Pentosanas

22,45

Ceniza total

8,76

Ceniza activa

2,34

Rendimiento teórico

14,42

Con la utilización del diseño experimental, se determinó que las condiciones más favorables para la obtención de furfural de cogollo, mediante el proceso tecnológico investigado en escala de laboratorio son las siguientes: Temperatura

165 °C

Consumo cíe H 2 S04

4 %

Hidromódulo

2

259

Con este régimen se obtuvo un rendimiento de furfural de 11 % sobre la materia prima seca y 76 % del teórico . Al igual que para el meollo y la paja para el cogollo, se necesita mayor consumo de ácido que para el bagazo, lo cual es consecuencia del elevado contenido de cenizas activas en este material . La probabilidad de emplear el cogollo en escala industrial, está en dependencia de las posibilidades de recolección en el campo y transportación del material hacia el lugar de su procesamiento de manera económica .

2 .4 OBTENCION DE FURFURAL CON EL EMPLEO DE HCI COMO CATALIZADOR En escala de laboratorio, se han realizado experiencias de obtención de furfural con el empleo de cloruro de hidrógeno como catalizador. El HC1 se obtiene mediante la reacción de los cloruros del agua de mar con ácido sulfúrico . En la figura 131 se muestra un esquema de la instalación utilizada en los experimentos . La ventaja de utilizar el HCI en la producción de furfural, consiste en su gran acción catalizadora 2 veces la del ácido sulfúrico- en las reacciones involucradas en el proceso . Esto per, mite suavizar las condiciones de temperatura en el régimen tecnológico y reálizar dicho proceso a presión atmosférica . En cada reactor se introducen 30 g de bagazo, con un contenido de pentosanas de 25,3 oró . El vapor es obtenido en un evaporador que contiene ácido sulfúrico concentrado y al cual se le añade agua de mar, posteriormente, pasa por un sobrecalentador donde se eleva su temperatura

Ta^ DE ALYIERW YETALICO REACTORES

PIS 131 Esquema de una btstalactán para la obtención de turtural con el empleo de , HC1 como catalizador.

260

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

RENDIMIENTO DE FURFURAL Y ACIDOS ORCsANICOS EN TANTOS POR CIENTO DE LA MATERIA PRIMA

4

4

w

Fig. 132 Resultado de la obtención de furfural y dcidos orgdnicos con el empleo de HCl como catalizador.

hasta 200-230°C y penetra en el primer reactor, del cual salen los vapores furfurílicos que pasan, consecutivamente, por los siguientes reactores. A la salida del último reactor los vapores atraviesan una columna rellera con aluminio metálico donde se separa el HCl y, posteriormente, se condensan y recolectan. En la figura 132 se presentan los resultados de la formación de furfural y ácidos orgánicos, con una velocidad de destilación de 0,8 y 1 módulo/h. El rendimiento de furfural está entre 9 y 10 % y el de ácidos orgánicos entre 4,5 - 5 % . El proceso tecnológico tiene, además, como ventaja, la obtención de un residuo lignocelulósico con muy baja humedad, que puede ser empleado sin secado previo como combustible de caldera . Las limitaciones principales del proceso son la necesidad de emplear para los equipos, materiales especiales o tecubrimientos anticorrosivos que los protejan de los efectos del ácido clorhídrico, lo cual puede encarecer esta tecnología. 2.5 FURFURAL DE PREHIDROLIZADOS DE PENTOSANAS Entre las alternativas de materias primas para producir furfural, en Cuba, se encuentra la utilización de los prehidrolizados residuales que se obtienen en la fabricación de pulpa para disolver a partir de bagazo. Las pentosas que contiene el prehidrolizado se someten a un proceso de deshidratación para obtener furfural. Los métodos más estudiados para la deshidratación de pentosas en furfural son los siguientes:

1 . Se hace pasar vapor sobrecalentado a través de una solución ácida de pentosas. El furfural formado se extrae con los vapores que se rectifican, posteriormente, para separar el agua del furfural .

2 . La solución ácida de pentosas se pone en contacto con una superficie caliente donde se forman, rápidamente, los vapores de furfural que son posteriormente enviados a su rectificación .

Se han realizado experimentos por el método (2) con el empleo de prehidrolizados acuosos, obtenidos en la primera etapa de la fabricación de pulpa para disolver en la producción de viscosa. La prehidrólisis del bagazo se realiza en las siguientes condiciones :

1-6

Hidromódulo Temperatura

160 - 180 °C

Tiempo de reacción

0,5 - 1 h

Los prehidrolizados obtenidos tienen las siguientes características : Pentosas

2,8 °r6

Furfural

0,31

pH

4,9

Densidad (20 °C)

1,161 g/cm3

Viscosidad (20 °C)

1,42 cP

261

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE 1.05 DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

o _ 1,5 % H.so .

4-2,s% H.sa a - 4 % H.904

90 70 80 S0 40 s0 20 10 170 Fig. 133

190

190

200

T^C

Obtención de furfural a partir de solución de pentosas (prehidrolizado: 8,20 % pentosas),

Con el objeto de disminuir las incrustaciones durante la reacción, el prehidrolizado se sometió a tratamientos de centrifugación, filtración y clarificación con carbón activado . Posteriormente, se concentró en un evaporador rotatorio al vacío hasta obtener soluciones con 4 y 8% de pentosas . La deshidratación de las pentosas se realiza en un reactor tubular metálico de laboratorio calentado hasta 170 -200 °C, con resistencia eléc. trica, en el cual se introduce el prehidrolizado previamente calentado a 60 °C y tratado con ácido sulfúrico. La solución es dosificada a presión con nitrógeno a una velocidad de 50-70 m1/h. Cuando el liquido se pone en contacto con la superficie caliente del reactor, se produce una rápida evaporación, con inmediata formación de furfural, que es arrastrado con los vapores y seguidamente condensado y recolectado en un balón receptor. En la figura 133 se puede apreciar los resultados obtenidos para diferentes condiciones de reacción. Los resultados de las experiencias, en escala de laboratorio, indican que la tecnología estudiada es ventajosa y puede ser llevada a una escala mayor de planta piloto con el fin de garantizar condiciones óptimas en escala industrial y los estudios técnico-económicos correspondientes. La producción de furfural a partir de prehidrolizados- de pentosas, sería así mismo, una forma de aprovechar los residuos que se generarán en el país, como consecuencia de un desarrollo futuro de la fabricación de viscosa á partir del bagazo.

2.6 PERSPECTIVAS DE LA PRODUCCION DE FURFURAL A PARTIR DE LOS DERIVADOS DE LA CAPA DE AZOCAR

Los resultados de las investigaciones llevadas a cabo, con el empleo de los derivados de la caña de azúcar, demuestran que con mayores o menores ventajas los mismos se pueden considerar materias primas potenciales para la producción de furfural. En lo que se refiere a los rendimientos sobre la materia prima seca, todos se han comportado satisfactoriamente con rendimientos mayores de 9 Oró, en tal sentido, no se diferencian de otras materias primas usadas en el mundo en escala industrial (Tab. 162) . Desde el punto de vista tecnológico, el bagazo, por sus características físicas y la experiencia industrial que ya existe en su utilización en la producción de furfurál, parece la materia prima más apropiada para esta industria. El meollo, aunque" con características físicas menos adecuadas para las tecnologías actualmente desarrolladas que emplean otras materias primas, se presenta como un residuo de aplicación industrial aún muy limitada y del cual podría disponerse, en Cuba, en los próximos años, en cantidades apreciables como subproductos de las industrias de tableros artificiales y papel a partir de bagazo. En cuanto a la paja y el cogollo se deben solucionar, todavía, las dificultades inherentes a la recolección y transportación de estos materiales que no se obtienen como el bagazo y el meollo concentrados en un área.

262

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

En la coyuntura actual, uno de los problemas que más afecta la economía de los procesos industriales, sobre todo en los países subdesarrollados, es el consumo de energía . La producción de furfural, a partir de bagazo u otros derivados de la caña de azúcar, tiene la ventaja de no consumir combustibles del petróleo, ya que toda la energía necesaria para la planta industrial se obtiene de la combustión del residuo lignocelulósico, con posibilidades, incluso, de comercializar alguna energía sobrante . Análisis económicos realizados permiten asegurar que las inversiones en plantas de furfural a partir de bagazo pueden ser recuperadas en plazos razonables, inferiores a 6 - 7 a. La obtención de este producto, por otra parte, en los países en vías de desarrollo, significaría contar con un renglón de exportación de gran demanda y disponer de un producto que puede ser fuente del futuro desarrollo de su industria química . 3 Azúcares hidrolíticos: obtención y aplicaciones Los azúcares hidrolíticos se obtienen por hidrólisis de los polisacáridos presentes en los materiales vegetales . Mediante la reacción de

hidrólisis las cadenas de hemicelulosas y celulosas se descomponen dando lugar a los azúcares simples o monosacáridos (azúcares hidra líticos) . La hidrólisis de los polisacáridos, en los materiales vegetales, se puede representar por las siguientes ecuaciones : (1) (C,H80a) . -i- (C6Hlo0s)o -iHemicelulosa +(n, + n2 - 2)H20 ~ nIC5HIo0s + n2C6Hi206 Pentosa Hexosa (2) (C6HioOs)  -1- (n - 1) H2 0 ~ n (C6H,206) Celulosa Glucosa La reacción (1) corresponde a la hidrólisis de las hemicelulosas o prehidrólisis . Las hemicelulosas están constituidas por polisacáridos cuyo grado de polimerización fluctúa entre 100 y 250 unidades de azúcares . Las pentosas, principalmente xilosa, constituyen la mayor parte de las hemicelulosas . Así, los productos fundamentales de esta reacción son : xilosa, arabinosa, glucosa

Flg. 134 Mecanismo de reacción para la hidrólisis de la celulosa en medio dcido

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR y galactosa . La reacción (2) representa la hidrólisis de la celulosa o hidrólisis principal . La celulosa es un polisacárido de alto peso molecular, cuyo grado de polimerización oscila entre 6 000 y 10 0000 unidades de azúcares . El producto de esta reacción es glucosa . Ambas reacciones se ven favorecidas por la elevación de la temperatura y la presencia de un catalizador ácido . La hidrólisis de la celulosa en presencia de un catalizador ácido ha sido explicada por el mecanismo de reacción que se expone en la figura 134. En el paso 1, por la acción del ion hidronio, el oxígeno del enlace glucosídico, es rápidamente protonizado ; el enlace glucosídico, debilitado, se rompe con formación del ion carbonio II, el cual con el agua da finalmente un grupo y un protón III . El protón con el agua regenera el ion hidronio . La influencia de la concentración del catalizador ácido en la hidrólisis de la celulosa, se puede apreciar en la tabla 162 . La celulosa de algodón ha sido tratada con ácido sulfúrico a 170'C . TABLA 162 Influencia de la concentración de ácido en la velocidad de reacción de la hidrólisis de la celulosa

Material

Constante de velocidad (h'') 0,05 N 0,1 N 0,2 N 0,4 N

Fibra larga

0,10

0,20

0,40

0,8

Fibra corta

0,10

0,19

0,37

0,8

Como se observa, el aumento de 2 veces la concentración de ácido, incrementa en 2 veces la velocidad de reacción de hidrólisis . El efecto catalizador varía, también, con la naturaleza del ácido. En la tabla 163 se muestra el coeficiente de actividad catalizadora de diferentes ácidos, en la hidrólisis de celulosa de madera, a 180°C en solución 0,1 N del ácido . El ácido clorhídrico es el de mayor efecto catalizador para la formación y descomposición de los azúcares . El ácido sulfúrico, con la mitad del efecto catalizador del HCI, es, sin embargo, el que se emplea actualmente en los procesos industriales a causa de su menor poder corrosivo . La dependencia de la velocidad de hidrólisis y descomposición de los azúcares con la temperatura se muestra en la tabla 164. La velocidad de reacción se incrementa con la temperatura, tanto para la hidrólisis como para la descomposición de azúcares. Los pro-

263

TABLA 163 Actividad catalizadora de los ácidos en la hidrólisis de la celulosa

Ácido

Coeficiente de actividad Hidrólisis de Descomposición de los monosacdridos la celulosa

Clorhídrico

1,00

1,00

Sulfúrico

0,51

0,50

Nítrico

0,26

0,23

Fosfórico

0,08

0,11

Acético

0,015

0,06

TABLA 164 Constantes de velocidad para la hidrólisis de la celulosa de madera y descomposición de glucosa en ácido sulfúrico 1 N

Temperatura ('C)

Constante de velocidad (min-1) Descomposición Hidrólisis de la glucosa

150

0,008

0,010

160

0,022

0,026

170

0,058

0,065

180

0,150

0,150

190

0,370

0,340

200

0,880

0,660

duetos de descomposición de las hexosas son, principalmente, ácido levulínico y ácido fórmico y de las pentosas el furfural . Can vistas a obtener los mayores rendimientos de azúcares, es necesario seleccionar las condiciones del proceso, de manera tal, que no se favorezcan las reacciones de descomposición de los monosacáridos . La reacción de prehidrólisis ocurre en condiciones más suaves que la hidrólisis principal, por lo que es conveniente realizarlas, separadamente, para evitar la descomposición de xilosa en furfural, que inhibe la posterior fermentación del hidrolizado y, además, disminuye el rendimiento de azúcares . Los azúcares hidrolíticos se emplean, fundamentalmente, como sustrato para la industria fermentativa en la producción de levadura forra-

264

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

jera y alcohol etílico, aunque también se pueden emplear en la obtención de glucosa, fructosa, polialcoholes y otros productos . Las materias primas con mejores condiciones para ser utilizadas en la obtención de azúcares hidrolíticos, son los residuos agrícolas y forestales ricos en polisacáridos. En la tabla 165 se muestran los contenidos, en polisacáridos, de algunos materiales que presentan buenas características para la hidrólisis . TABLA 165 Contenido de polisacáridos en diferentes materiales vegetales P.F.H.

P.D.H. Polisacd-

Materfal

(%)

Tuzas de maíz

30-33 40-42 70-75

Abedul (virutas)

25

Residuos de girasol

22-23 32-34 55-57

Residuos de algodón

26

35

61

Corteza de kenaf

18

36

54

Cáscara de arroz

17-18 30-31 47 .49

Bagazo

26-30 44 .47 70-77

Meollo

23-26 36 .40 59-66

(%) toales (%)

40

65

En la actualidad, se producen azúcares hidra líticos en escala industrial, principalmente, en 2 países : URSS y República Popular de Bulgaria, con fines de obtención de levadura forrajera y alcohol. 3.1 PROCESOS TECNOLOGICOS PARA LA HIDROLISIS QUIMICA Diversos procedimientos se han creado para realizar la hidrólisis de los materiales vegetales Algunos han sido ensayados en escala de laboratorio, otros en escala de planta piloto . Los principales procesos desarrollados tienen, en general, como fundamento, el tipo de catalizador empleado para llevar a cabo la reacción y se pueden clasificar en: 1 . Procesos con ácido sulfúrico diluido. 2. Procesos con ácido sulfúrico concentrado . 3. Procesos con ácido clorhídrico concentrado .

4. Procesos con cloruro de hidrógeno gaseoso . De éstos, sólo han podido ser llevados con éxito a la práctica industrial los procesos con ácido sulfúrico diluido . En la actualidad, casi toda la producción de azúcares hidrolíticos con fines fermentativos, en el mundo, se realiza por el proceso de percolación con ácido sulfúrico diluido como catalizador . Los procesos con ácido sulfúrico concentrado se han visto, en general, limitados por el elevado consumo de ácido y por las dificultades que presenta la recuperación económica del mismo . Los procesos que emplean ácido clorhídrico y cloruro de hidrógeno gaseoso no han resuelto aún el problema que se deriva del gran poder corrosivo de estos reactivos, lo cual encarece el equipamiento que debe ser fabricado con materiales especiales anticorrosivos. Existen, además, otros procesos en escala experimental para la obtención de azúcares hidrolíticos a partir de materiales vegetales . Entre los de más perspectivas se encuentran los métodos de tratamiento físicoquímico de las materias primas celulósicas que se examinarán más adelante . 3.2 TECNOLOGIA DE HIDROLISIS POR PERCOLACION La reacción de hidrólisis en el proceso de per. colación se realiza en reactores cilíndricos (percoladores) constituidos por un cuerpo de acero al carbono, revestido interiormente con lozas anticorrosivas :" En la parte inferior del reactor se dispone un sistema de rayos filtrantes por medio del cual se separa el hidrolizado o solución de azúcares reductores del material sólido . El equipo se completa con una balanza para el control del peso de los materiales y válvulas para el control del flujo y la extracción del residuo lignínico . En la figura 135 se muestra el esquema de un reactor típico de hidrólisis por percolación . En la figura 136 se presenta un esquema del proceso de percolación . La materia prima, por medio de transportadores de banda (1,1 y 1,2), es alimentada a los reactores de hidrólisis (1,4) . En la parte superior del reactor existe un dispositivo especial que mezcla el agua, previamente calentada por un eyector de vapor, y el ácido sulfúrico que se dosifica con la bomba (1,6), desde el tanque (1,7) . El material es impregnado con la solución ácida hasta alcanzar el hidromodulos requerido . Se comienza el calen1 En los últimos afos se ha experimentado, en la URSS, con reactores fabricados con una aleación especial de acero del titanio, con buenos resultados, Hidromdduto. Relación en peso que existe entre la fase líquida y la materia prima en base seca (b.s.).

a O C Ó V 4 u . 0 m O m a y W h M m

rr.

0

8 bA k N

Ñ b b O 3uO a

w

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR tamiento. de la masa reaccionante con vapor directo hasta lograr la temperatura establecida . En este período se efectúa la ventilación o soplado, a través del ciclón (1,5), para separar los gases inertes que se acumulan en la parte superior del reactor. Una vez alcanzada la temperatura requerida comienza la prehidrólisis que se realiza en forma estacionaria (batch) . En este tiempo se produce la hidrólisis de las hemicelulosas .y se forman los azúcares reductores, principalmente xilosa . Transcurrida la prehidrólisis se procede a llevar a cabo las distintas etapas de hidrólisis en forma seinicontinua mediante la percolación . Durante este proceso la solución ácida, a la concentración y temperatura que establece el régimen de trabajo, atraviesa la masa de material celulósico y se hidrolizan los polisacáridos? difícilmente hidrolizables con formación de azúcares, fundamentalmente glucosa . Este hidrolizado es separado de la materia sólida por el sistema de rayos filtrantes situado en la mitad inferior del reactor. De esta manera, se realizan las distintas etapas de hidrólisis con variación de la presión y la temperatura, de acuerdo con el régimen tecnológico establecido . Concluida la última etapa de percolación, se realiza el lavado del material con agua caliente, que se suministra por la parte superior del reactor. Con el lavado se recuperan los azúcares presentes en la solución que baña el material sólido residual y se concluye la hidrólisis que tiene lugar todavía en esta etapa, con el aprovechamiento del ácido que queda en el reactor. Una vez extraído el líquido de lavado se procede a soplar la lignina residual, mediante la abertura de la válvula de rápido funcionamiento montada en el cono inferior del reactor . La lignina se dirige al ciclón (1,11) donde se separa del vapor y se colecta para el uso que le esté destinado . ElSdrolizado obtenido en las diferentes etapas se enfría hasta 100 °C en los 2 escalones de evaporación (1,8), que trabajan a 5 y 1 atm, respectivamente . El condensado se envía al tanque intermedio (2,1) . El vapor que se obtiene en los evaporadores pasa por los intercambiadores tubulares (1,9) y de placa (1,10) . El condensado contiene furfural, ácidos orgánicos, metanol, etc ., y pudiera ser empleado en la recuperación de furfural, si la coyuntura económica fuera ventajosa. El calor que cede el vapor al condensarse se aprovecha en calentar el agua con que se alimenta a los reactores. El hidrolizado se extrae del tanque intermedio (2,1) y se neutraliza con hidróxido de calcio, mientras se transporta mediante un elevador de. aire hasta el depósito de separación (2,2), seguidamente se envía al sedimentador (2,3) donde se ajusta el pH y se adiciona parte de los nutrientes necesarios para la posterior fermenta-

267 .

ción. El lodo de hidrólisis, que contiene, principalmente, sulfato de calcio, se extrae por el fondo del sedimentador y el hidrolizado neutralizado se envía al tanque (2,4), mediante una bomba (2,5) se pasa a través del intercambiador de calor (2,6) al tanque de almacenamiento (2,7) , con la temperatura requerida para ser enviado al proceso de fermentación . 3.3 CINÉTICA DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR Los derivados de la caña de azúcar : bagazo, meollo, cogollo y paja, son, por su contenido en polisacáridos, materiales susceptibles de ser utilizados en los procesos de hidrólisis química. Los estudios cinéticos realizados para algunos de estos materiales han confirmado sus buenas características, desde el punto de vista químico, para las reacciones de hidrólisis. 3.3.1 Cinética de la hidrólisis del bagazo Se han llevado a efecto investigaciones de la prehidrólisis de las hemicelulosas del bagazo, en escala de laboratorio, en condiciones estáticas, con el empleo de ácido sulfúrico como catalizador, en las cuales se comprobó la aplicación de un esquema cinético de 2 reacciones simultáneas de primer orden para la descripción de la hidrólisis de estas hemicelulosas, que supone la existencia de 2 fracciones de los polisacáridos fácilmente hidrolizables . Los parámetros cinéticos determinados para cada fracción se presentan en las tablas 166 y 167 para las experiencias realizadas con ácido diluido y concentrado, respectivamente . La dependencia de la temperatura y concentración de ácido con la constante específica de velocidad de reacción, se expresa por una ecuación del tipo Arrhenius : k = C° A exp ( -E/RT) donde : k: Constante específica de velocidad de reacción. n: Orden respecto a la concentración de ácido. C: Concentración de ácido en tantos por ciento en peso. A: Coeficiente preexponencial . E: Energía de activación,. T: Temperatura absoluta . R: Constante universal de los gases ideales .

268

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZULAR TABLA 166

TABLA 167

Parámetros cinéticos para la prehidr6lisis de las 2 fracciones de hemicelulosa en el bagazo en el rango diluido Concentración Temperatura ('C) k, min de ácido (%)

'

k, min -1

0,600

140

0,305

0,0347

0,600

130

0,262

0,0151

0,600

120

0,089

0,0075

0,600

110

0,021

0,0017

0,430

140

-

0,0345

0,430

130

0,126

0,0084

0,201

140

0,164

0,0086

0,201

130

0,053

0,0030

0,306

125

0,037

0,0027

E, = 30732 cal/mol

A, = 1,45

E2 = 33 580 cal/mot

A2 = 5,61 x 101 1

X

101 °

ni = 1,11 n2 = 1,54

subíndices 1 y 2 se refieren a las fracciones 1 y 2, respectivamente, de hemicelulosa . Los

El rendimiento de sustancias reductoras para diferentes condiciones de reacción en la prehidrólisis periódica del bagazo, en el rango diluido, se muestra en la figura 137. El bagazo estudiado tiene un contenido de polisacáridos fácilmente hidrolizables (PFH) de 28,8 % y polisacáridos difícilmente hidrolizables (PDH) de 43,9,%, sobre materia seca . Las experiencias se realizaron con ácido sulfúrico a 0,5 % e hidromódulo 10. Como se observa en la figura 137, a 140 °C, en 40 min de reacción, se obtiene un rendimiento de alrededor de 25 % y a 160°C en 20 min, se alcanza un máximo con un rendimiento mayor y se acorta el tiempo donde se obtiene el valor máximo : sin embargo, en la práctica, no es ventajoso emplear temperaturas superiores a 140'C, ya que la agudización del máximo obliga a una supervisión muy estricta de la temperatura y cualquier variación, en este parámetro, determina la caída rápida del rendimiento de azúcares. Para el rango concentrado, se pueden apreciar en la figura 138, los rendimientos de sustancias reductoras en distintas condiciones de reacción para un bagazo que contiene 27 % de pentosanas y 49 % de celulosa sobre materia seca. Se observa

Parámetros cinéticos para la prehidrófisis de las fracciones hemicelulosas en el bagazo en el rango concentrado Concentración Temperade ácido (n%) tura CC)

k,

min - I

k,min -1

16

60

3,8 X 10 -3 1,2

X

16

80

2,4

x 10-3

30

60

1,4 x 10-2 1,7

X

30

80

1,1 x 10-1

1,1

x 10-2

46

80

7,8

10-2 8,5

x 10-e

46

80

6,8 x 10-1 4,0

50

60

50

40

X

X

-

10-2 4,6

X

10- ' 10-3

10-2

9,05 x 10-e

2,2 x 10 -2 5,2

x 10-3

E, = 22 300 cat/mol A, = 7,57 x 10^ n, = 4,11 E, = 17 000 cal/mol A, = 7,85 x 103 n2 = 2,59

subíndices 1 y 2 se refieren a las fracciones 1 y 2, respectivamente, de hemicelulosa Los

que en la prehidrólisis con ácido concentrado se requieren menores temperaturas para obtener los mismos rendimientos que con ácido diluido, sin embargo, se presentan las desventajas de un mayor consumo de ácido y un costo apreciable de los procesos de recuperación para la reutilización del mismo. Para la hidrólisis principal o hidrólisis de la celulosa del bagazo, también se han determinado los parámetros cinéticos . En este caso, se ha comprobado un esquema en el cual la descomposición de la celulosa sigue un comportamiento cinético de primer orden . ki Celulosa k, ' productos de descomposición glucosa La influencia de la temperatura y la concentración de ácido sobre la velocidad de hidrólisis puede ser expresada, también, en este caso, mediante una expresión matemática del tipo Arrhenius : k = C° A exp (-E/RT). Para los rangos diluido y concentrado, los datos cinéticos se muestran en las tablas 168 y 169. El bagazo empleado contenía, inicialmente, 27 % de pentosanas y 46 % de celulosa sobre

leo t (min) Fig. 137

Rendimiento de sustancias reductoras en prehidrolizados,

m9/0 boºezo b. a.

Rendimiento de sustancias reductoras en pre" hidrolizados de bagazo para el rango concentrado.

Fig. 138

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

270 TABLA 168

Parámetros cinéticos para la hidrólisis principal del bagazo en el rango diluido Condiciones de reacción X) (°%)

k,(min-')

0,49

160

1,31

x 10-3

-

1,00

160

5,65 x 10- '

-

0,25

180

5,68 x 10- '

-

0,50

180

2,1

x 10-2

E,

1,00

180

4,7

x 10 -2

A, = 1,01 x 101 2

1,00

100

2,3

x 10-2

n, = 1,42

0,50

220

6,7

x 10- '

1,00

220

1,54

= 37 990

callmol

-

Rendimiento de sustancias reductoras en la hidrólisis principal del bagazo

Fig. 139

distintas velocidades de reacción. Las constantes específicas de velocidad k, y k2, correspondientes a reacciones de primer orden para la descomposición de las 2 hemicelulosas, en distintas condiciones de reacción se muestran en la tabla 170.

TABLA 169

TABLA 170

Parámetros cinéticos para la hidrólisis principal del bagazo en el rango concentrado

Constante de velocidad en min-' para la prebidrólisis del meollo en reactor periódico

Condiciones de reacción rc1 )

Condiciones rC) (4b) k,(min - ') x 10 -1

120

0,186 H2S04

3,76

120

0,436 112SO4

9,1

k2 x 101 -

66

40

2,9

66

60

6,1 x 10-2

E,

callmol

120

0,937 H2SO4

25

-

66

80

3,35 x 10 -

A,C-, = 6,45 x 101 8

140

0,436 H2SO4

60

20,70

80

16,00 H2SO4

-

6,80

1

-

k, x 10

= 26 000

materia seca al mismo se le eliminaron las hemicelulosas, mediante prehidrólisis con ácido sulfúrico a 30 % y 80 °C, durante 5 h. En la figura 139 se muestran los rendimientos de sustancias reductoras en la hidrólisis principal con ácido sulfúrico diluido . Se pueden apreciar las condiciones más severas de temperatura que son necesarias para la hidrólisis de la celulosa del bagazo . 3.3.2 Cinética de la hidrólisis del meollo El comportamiento cinético del meollo, en la hidrólisis química, según los estudios realizados, es semejante al del bagazo. La prehidrólisis del meollo también se puede describir por un modelo de 2 hemicelulosas que se descomponen con

5,21

Los rendimientos de azúcares para la prehidrólisis del meollo se presentan en la figura 140 para un meollo con 23,8 % de pentosanas. El rendimiento de azúcares reductores se incrementa con el aumento de la concentración de ácido y la temperatura y a 140'C y 0,436 % de ácido, se obtienen los mejores resultados con rendimiento de 23 °r6 sobre meollo seco. La hidrólisis de la celulosa del meollo responde a una reacción de primer orden del tipo Arrhenius, similar a la planteada para el bagazo . Los datos cinéticos, también muy parecidos a los obtenidos para el bagazo, se muestran en la tabla 171 .

271

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

20 ^c °,4x

z° ^c°,ies

Fig. 140 Prehidrólisis del meollo en reactor periódico, TABLA 171

Datos cinéticos para la hidrólisis principal del meollo en reactor periódico Condiciones ('C) (u/°)

k x 103 min' 1

160

0,5 H,SO,

1,65

160

1,0 H,SO,

5,64

E = 2 700 cal/mol

180

0,5 H,S04

16,0

A = 1,9 x 10

180

1,0 H,SO,

46

n = 1,67

TECNOLOGICAS DE BAGAZO Y MEOLLO PARA LA HIDROLISIS QUIMICA

3,4 EXPERIENCIAS EN EL EMPLEO

La tecnología de percolación con empleo de ácido sulfúrico como catalizador, es el método desarrollado en escala industrial para la producción de azúcares hidrolíticos . En la URSS y la República Popular de Bulgaria se procesan, anualmente, grandes cantidades de desechos agrícolas y forestales en numerosas fábricas que emplean la tecnología de percolación . En estos paises se ha acumulado una gran experiencia en la operación de plantas que utilizan este pro-

ceso tecnológico para la obtención de hidrolizados fermentables. En virtud de la colaboración científico-técnica con la República Popular de Bulgaria se realizaron, en este país, pruebas en escala industrial para comprobar el comportamiento de las materias primas cubanas : bagazo y meollo, en el proceso de hidrólisis por percolación . Se llevaron a cabo, en primer lugar, experiencias con el empleo de bagazo. La hidrólisis se realizó en reactores de 35 m' de capacidad y de acuerdo con los regímenes tecnológicos previamente diseñados al efecto . El bagazo empleado tenía la siguiente composición en tantos por ciento sobre materia seca:

Polisacáridos totales

73,5

P.F.H,

29,0

P.D.H.

44,5

Celulosa

45,0

Lignina

22,3

Pentosanas

25,8

Cenizas

3,5

272

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

Se probaron 9 regímenes diferentes, en la búsqueda de las condiciones más apropiadas para el procesamiento del bagazo, de esta forma, se pudieron obtener, con las mejores condiciones, rendimientos de 42 % de azúcares sobre la materia prima b . s ., en 180 min de duración del batch. El material tuvo un magnífico comportamiento en la filtración, sin dificultades en la extracción del hidrolizado . Los hidrolizados obtenidos se sometieron a la fermentación, en escala de planta piloto, con buenos resultados, y rendimicntos que llegaron hasta 53 % de levadura b. s., en relación con los azúcares suministrados. Las levaduras tuvieron una calidad similar a las obtenidas de otras fuentes. En la tabla 172 se muestra 1 de los regímenes que arrojaron mejores resultados en la hidrólisis del bagazo y en la tabla 173 se aprecia la calidad microbiológica de los hidrolizados obtenidos . En resumen, el bagazo de la caña de azúcar se evidenció como una materia prima con buenas perspectivas para ser utilizado en la tecnología de percolación, en lo que se refiere a su comportamiento hidrodinámico, los buenos rendimientos en la reacción de hidrólisis y la calidad de los hidrolizados obtenidos para los procesos fermentativos . Se probó, así mismo, en el proceso de perca lación, el meollo de la caña de azúcar. Este material, dadas sus características físicas -pequeños tamaños de partícula- no ofrece las mejores condiciones para el proceso de filtración. De esta forma, se decidió realizar las experienTABLA 172 Régimen tecnológico para la hidrólisis del bagazo índice

Unidad

Cantidad

Carga de bagazo seco

kg

3400,0

Hidromódulo inicial

-

7,3

Hidromódulo total

-

22,0

Azúcares obtenidos

kg

1428,0

P.D.H. en lignina

%

6,7

Azúcares reductores en ugnina

%

1,9

Azúcares reductores descompuestos

%

23,9

Rendimiento

%

42,0

min

180,0

Tiempo de reacción

TABLA 173 Calidad microbiológica de hidrolizados de bagazo índice

Cantidad (%)

1. Filtrado

Sustancia reductora

0,13

Nitrógeno

0,107

Peos

0,022

2. Levaduras prensadas

Humedad

79,33

Cenizas

6,49

3. Asimilación

88,40

4. Rendimiento

Levadura seca para reductores iniciales

53,0

Levadura seca sobre la base de los asimilados

60.0

5. Nitrógeno asimilado

59,85

6. P2O5 asimilado

95,28

cias con el empleo de mezclas de bagazo y meollo, de acuerdo con la relación 3 :1, y de obtenerse buenos resultados aumentar, paulatinamente, la proporción en meollo. El interés de emplear meollo como materia prima para la hidrólisis, está dado por el bajo costo de este material, que hasta el presente posee poco uso industrial y que se obtendrá, en grandes cantidades, en los próximos años, como subproducto de las industrias de tableros de bagazo y papel. Las experiencias fueron realizadas en los mismos reactores de 35 ms de capacidad y con los regímenes que mejores resultados habían arrojado en las pruebas con bagazo . Se llevaron a cabo 5 experiencias con las mezclas bagazo: meollo, 3:1 . Se varió, en cada una, la posición del meollo en el reactor, a fin de encontrar las mejores condiciones para la filtración del material. Los resultados obtenidos para todas las experiencias fueron muy poco satisfactorios en lo que respecta : 1. Rendimientos de azúcares obtenidos . 2 . Comportamiento tema.

hidrodinámico

del

sis-

Los rendimientos, en general, fueron menores de 30 "io . La operación de los reactores presentó

273

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

serias dificultades a causa de la mala filtración del líquido a través del material. La filtración es buena en la primera etapa de percolación y se dificulta después, rápidamente, hasta producir, en ocasiones, el llenado completo del reactor con el líquido y la interrupción total de la extracción del hidrolizado . En las últimas etapas de percolación mejora, aparentemente, la filtración con extracción de grandes cantidades de líquidos en pequeños lapsos ; pero esto no es más que la consecuencia de la formación de canales que permiten el paso fácil del líquido, aunque lógicamente con un pésimo contacto entre las 2 fases que afecta el rendimiento . Lo anterior implica también, que durante la cocción permanecen dentro del reactor cantidades de líquido por un tiempo demasiado grande, lo que provoca la descomposición de los azúcares previamente formados . En la mayor parte del proceso, la operación del reactor se hace sumamente difícil, a causa de la inestabilidad en la filtración a través del material . Los hidrolizados obtenidos con la mezcla bagazo-meollo presentan una buena calidad microbiológica, de la misma forma que los que se producen con el bagazo exclusivamente . Sin embargo, los problemas encontrados en el comportamiento hidrodinámico del sistema con la mezcla bagazo-meollo, indican que no es recomendable el empleo de meollo como materia prima en la obtención de azúcares hidrolíticos, por el sistema de percolación en equipos convencionales tales como los empleados en la República Popular de Bulgaria. 3.4.1 Experiencias por el método estacionario de hidrólisis La imposibilidad de utilizar el meollo, a corto plazo, en la,tecnología de percolación, determinó la búsqueda de otros procesos que permitieran el empleo de esta prometedora materia prima en la obtención de azúcares hidrolíticos. Se desarrolló, así, en escala de planta piloto para este material, la tecnología denominada "estacionaria" . Esta tecnología se empleó con anterioridad a la tecnología de percolación y consiste, básicamente, en realizar las reacciones de prehidrólisis e hidrólisis en forma periódica, manteniendo la materia prima y el licor ácido dentro del reactor todo el tiempo que se señala para las etapas de trabajo. Como es evidente, tiene como desventaja frente al proceso de percolación, la descomposición de azúcares que se produce como consecuencia de no extraer rápidamente el licor ácido que contiene los azúcares formados durante la reacción, dado lo cual, por este método, se obtienen, en general, menores rendimientos que por el de percolación . No obstante, por resultar el meollo una materia prima

relativamente barata, su empleo puede resultar económico en el método estacionario, bajo condiciones adecuadas . Los experimentos se realizaron en un reactor de 350 1 de capacidad . El meollo se impregna con una solución de ácido sulfúrico de acuerdo con el hidromódulo deseado y se carga en el reactor, que se cierra herméticamente . Se inyecta, entonces, el vapor de calentamiento, hasta alcanzar la temperatura que se requiera y du, rante el tiempo previsto se realiza la prehidrólisis del material, terminada la cual se filtra la solución extrayéndose los azúcares formados ; con posterioridad, se inyecta de nuevo la solución ácida y se incrementa la temperatura, para realizar la primera etapa de hidrólisis durante el tiempo deseado, al final del cual se filtra, nuevamente, para extraer los azúcares formados en esta primera etapa, se procede luego de la misma forma para una segunda y tercera etapas si fuera necesario y por último, después de agotada la materia prima, se realiza un lavado del residuo lignínico que garantiza el arrastre de los azúcares ocluidos en el material. Se determina el rendimiento, mediante el análisis de los azúcares reductores presentes en el prehidrolizado y las soluciones correspondientes a cada etapa de hidrólisis. La materia prima empleada fue meollo proce. dente de bagazo integral empacado con la siguiente composición en tantos por ciento sobre materia prima seca : P.F.H.

28,5

P.D.H.

37,3

Lignina

23,3

Cenizas totales

5,8

Cenizas activas

1,9

El filtro del reactor se cubrió con una capa de bagazo, a fin de garantizar la filtrabilidad del sistema, por lo cual se tomaron para las experiencias 15 kg de meollo seco y 1,5 kg de bagazo, seco. Se realizó un diseño estadístico de los experimentos, y se probaron un gran número de regímenes para el proceso estacionario con lo cual se determinaron las mejores condiciones para llevar a cabo la prehidrólisis y distin. tas etapas de hidrólisis. El régimen más adecuado para llevar a cabo la hidrólisis estacionaria del meollo, de acuerdo con las investigaciones realizadas, se muestra en la tabla 174. Con estas condiciones se obtuvo un rendimiento de azúcares de 38,4 % sobre materia prima seca.

274

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 174

Régimen tecnológico para la hidrólisis estacionaria del meollo

Tempe . ratura ('C)

Concen. tracidn Tiem- de po dcido (min) (%)

Hidrom6dulo

Prehidrólisis

140

47

0,50

12

Primera etapa

155

40

0,75

8

Segunda etapa

165

45

1,00

8

Lavado

165

20

Se debe destacar que, también en este caso, las malas propiedades filtrantes del meollo limitan la productividad del proceso, ya que, como se comprobó en los experimentos, una tercera etapa de hidrólisis, aunque contribuye al aumento del rendimiento, consume un tiempo enorme de filtración, mayor de 24 h, lo cual hace inaceptable esta tercera etapa . Es necesario, por tanto, estudiar con más detalle el proceso de filtración del meollo y establecer el equipamiento óptimo para esta operación, además de continuar los experimentos para determinar los consumos específicos de los diferentes materiales y servicios, con la finalidad de realizar la evaluación económica del proceso . 3.4.2 Métodos de tratamiento fisicoquímico en la obtención de azúcares hidrolíticos Con el objeto de disminuir los consumos ener géticos y aumentar los rendimientos en los procesos de hidrólisis, se han aplicado una serie de técnicas en las cuales se someten los materiales vegetales a un tratamiento físico que tiene por finalidad destruir las grandes cadenas de polisacáridos y transformar los polisacáridos difícilmente hidrolizables en polisacáridos fácilmente hidrolizables . Estos últimos se hidrolizan, entonces, en condiciones más suaves con el consiguiente ahorro de energía. Se han aplicado distintos tratamientos físicos como son : a) mo lida del material vegetal en molinos vibratorios de bolas y de rodillo ; b) aplicación de vibraciones de baja frecuencia ; c) aplicación de radiaciones gamma. En la mayoría de los métodos el tratamiento físico se combina con el calentamiento del material y el empleo de ácidos minerales concentrados . En la figura 141 se muestran los resultados del tratamiento mecanoquímico de celolignina

Fig. 141 Cinética de la destrucción mecanoqulmica de tos polisacáridos de la celolignina, en presencia de ácido sulfúrico de diferente; concentraciones con hi. dromódulo 0,1 . 1. 49,5 %. 2. 64,2 %. 3. 78,2 % de madera conífera . La celoligina con 56,5 ego de polisacáridos fue impregnada con ácido sulfúrico, de diferentes concentraciones y, posteriormente, sometida a la acción mecánica en un molino vibratorio de bolas de laboratorio, que tiene una frecuencia de 940 vibraciones/min y una amplitud de 60 mm. La fracción de P .F.H. se determinó por hidrólisis del material tratado en solución de ácido sulfúrico a 4 %, durante 3 h, a 100T con hidromódulo 10. En la figura 141 se observa que para una concentración dada de ácido la fracción de P.F.H. se incrementa con el tiempo de molida, a la vez que para un tiempó fijo de molida dicha fracción aumenta con la concentración de ácido . Para concentraciones de ácido de 65 % o mayores, se alcanza, en 40 min de molida, prácticamente 90 % de rendimiento con relación al total de polisacáridos en la celolignina . Las radiaciones y también se han utilizado en el tratamiento de aserrín de abeto y celolignina obtenida de éste para la transformación de los polisacáridos difíciles en fácilmente hidrolizables. El aserrín y la celolignina se sometieron a radiaciones de 108 y 109 Roentgen. El material tratado se hidrolizó en solución 0,1 N de ácido sulfúrico, a 180 °C, con hidromódulo 10 y se determinó el rendimiento de azúcares. En la tabla 175 se muestran los resultados obtenidos para los materiales investigados. En la tabla 175 se observa que el rendimiento aumenta con el incremento de ladosis radiactiva y a 109 Roentgen, en sólo 6 min, se alcanzan

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

275

TABLA 175 Tratamiento de aserrín y celolignina de abeto con radiaciones gamma

Material

Aserrín de abeto

,Celolignina de abeto

Tiempo para al. canzar el mdximo de azúcares (min)

Rendimiento máximo de azúcares (48)

0

60

43,0

109

35

62,1

109

6

72,5

0

60

45,0

10'

30

63,5

109

6

68,3

Radiación (Roentgen)

rendimientos cercanos a 70 vio para ambos materiales. En cuanto al tratamiento de derivados de la caña de azúcar por métodos fisicoquímicos, solamente se han realizado algunas pruebas preliminares en el ICIDCA, de molida de meollo . El meollo ha sido molido en molinos de bola de laboratorio, hasta un diámetro promedio de partícula de 15 km y, posteriormente, sometido a la hidrólisis con ácido sulfúrico a 10 % y 100°C, durante 3 h. El rendimiento de azúcares, con respecto al meollo sin moler para las mismas condiciones de hidrólisis, se aumenta en cerca de 20 % . Los métodos fisicoquímicos pueden abrir nuevas perspectivas para la producción de azúcares hidrolíticos, a partir de materiales vegetales, si se crean nuevas tecnologías que empleen un menor consumo de energía, á la vez que logren un aumento en los rendimientos de los productos y una mayor productividad de los procesos. 3.5 PERSPECTIVAS EN LA PRODUCCION DE AZUCARES HIDROLITICOS Las investigaciones realizadas hasta el momento, en Cuba, se han centrado, principalmente en la caracterización de las materias primas potenciales para la industria hidrolítica y en comprobar su posible utilización en las tecnologías ya existentes . Desde el punto de vista tecnológico, el bagazo puede ser empleado en la producción de azúcares hidrolíticos, por el método de percolación, con el empleo de ácido sulfúrico como catalizador. Para el resto de los derivados de la caña de azúcar, es necesario continuar las investigaciones con el fin de desarrollar las tecnologías apropiadas para el pro-

cesamiento de esos materiales . En general, se deben buscar procesos tecnológicos que disminuyan el consumo energético, que en esta industria tiende a ser grande . En Cuba, las motivaciones más inmediatas para el desarrollo de la producción de azúcares hidrolíticos, es su potencial utilización como materia prima en las plantas de levadura torula que se encuentran instaladas en el país. Esto permitiría liberar apreciables cantidades de mieles finales de caña que pueden colocarse, favorablemente, en el mercado mundial y ser fuente importante de ingresos en divisas para el país. 4 Bibliografía BLANCO, R., G . ALFDNso Y J. LASTRA : "Hidrólisis del bagazo . I." Rev. ICIDCA, No. 1, 1973. BLANCO, R. Y J. LASTRA: "Hidrólisis del bagazo. II." Rev. ICIDCA, No. 1, 1974. CHALov, N. V.: "Destrucción mecanoquímica de poli . sacáridos en presencia de ácido sulfúrico ." Guidroliznaya y Liesojimicheskaya Prom., No. 7, 1962. GoNzAtEz, L. et al.: "Obtención de furfural del cogollo de la caña de azúcar en escala de laboratorio." IV Seminario Científico, ICIDCA . 1981. TcmcA: "Informe de las pruebas experimentales de percolación de bagazo y meollo en escala induct trial." Bulgaria-Cuba, noviembre de 1978. INTERNATIONAL TRADE CENTRE uNcTAD/GATT : Genova, 1978. JAEGGLE, W.: "Integrated production of furfural and acetic acid from fibrous residues in a continuos process ." Escher Wyss News, 2, 1975. KOROLKov, I.: Percolatzionni guidrolizastitielnovo sirid. Ed.: Izdcttielstvo Lexnaya Promishlennost, 1978.

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VILLAR, J. Y

Capítulo X PRODUCTOS AGLOMERADOS NELSON LA SERNA

RAFAEL ALMAGRO

EUGENIO DE LA VEGA

1 Generalidades Las crecientes necesidades de materiales técnicamente aptos que contribuyan a solucionar los problemas que enfrentan las industrias de muebles y de la construcción, han encontrado una respuesta definitiva, y económicamente ventajosa, con el desarrollo de las producciones de productos aglomerados tales como los tableros de partículas, de fibras, elementos moldeados y otros tipos de paneles . El desarrollo de las tecnologías de tableros, responde a la necesidad de incrementar los niveles de aprovechamiento de las explotaciones forestales en países que, no obstante disponer de abundantes recursos maderables, enfrentaban grandes pérdidas de materias del bosque, en forma de ramas y desechos, durante la explotación del mismo y también en la ulterior elaboración de la madera en los aserrios, en forma de astillas y recortes . Los procesos de producción de tableros, constituyeron una excelente vía de aprovechamiento de estos desechos y, a la vez, permitieron el desarrollo de novedosos materiales que impulsaron la evolución de las industrias elaboradoras de la madera. Así, durante la década de los años veinte del presente siglo, se desarrolló, industrialmente, la producción de tableros de fibra en países de Europa y América del Norte, mientras que el proceso de producción de tableros de partículas se estableció sobre una sólida base industrial, a finales de los años cuarenta y durante la década del cincuenta, fundamentalmente en Alemania, Reino Unido, América del Norte, y en otros países de Europa. La materia prima fundamental para la producción de tableros la constituyeron los materiales fibrosos lignocelulósicos, en primer lugar, diferentes tipos de maderas coníferas y frondosas . Después de la madera, las materias primas más utilizadas, mundialmente, en la producción de tableros, son el bagazo de la caña de azúcar y el lino, el bagazo es el que más desarrollo ha mostrado en los últimos años, por sus propiedades morfológicas, que hacen del mismo una excelente fibra para esta industria . A partir de la consolidación tecnológica experimentada por la industria de tableros de partículas después de 1950, fundamentalmente con el desarrollo de máquinas específicas para la

JOSÉ LUIS VALDÉS

OFELIA CARVAJAL

preparación de la materia prima y de métodos novedosos de formación y prensado, que hicieron posible la obtención de productos de calidad superior, con el consiguiente aumento de sus rangos de aplicación, la producción de este tipo de tableros experimentó un vertiginoso aumento, cuya magnitud, a nivel mundial, a partir de 1966, se muestra, como ejemplo, en la tabla 176. TABLA 176

Producción mundial de tableros de partículas Año

Producción (miles m$)

1966

10 954

1967

12 534

1968

14806

1969

17342

1970

19 j70

1971

22 779

1972

27 392

1973

31943

1974

31 747

1975

30822

1976

35034

1977

36684

1978

38589

La producción mundial en el período 1972-1976 significó un aprovechamiento de la capacidad instalada de producción de 76 % y representó 34 46 del total de los paneles de celulosa producidos mundialmente . También la producción de tableros de fibra ha experimentado un notable crecimiento en los últimos años, aunque no de manera tan rápida como la de tableros de partículas . Esto obedece a alternativas de precios, tecnologías y al empleo a que se desti-

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZOCAR

278 TABLA 177

Producción de tableros de fibra (.miles de m-) Producción anual promedio 1972 .1976

Europa África

6 287 180

Asia

1 107

Américas del Norte y Central

7 523

América del Sur

515

Oceanía

252

Total mundial

15864

nen . La producción mundial y por regiones se indica en la tabla 177. Se reporta la producción anual promedio en el período 1972-1976 . Las cifras que se muestran en la tabla 177, representan 80 % de aprovechamiento de la capacidad instalada y 18 "io del total de los paneles de celulosa producidos mundialmente . Los datos anteriores evidencian la importancia que ambos tipos de tableros han alcanzado en los últimos tiempos, en las industrias de paneles, ya que la producción de ambos alcanza 54 4o del total de los paneles celulósicos producidos mundialmente . Si aun en países que disponen de elevados recursos forestales los tableros han logrado un desarrollo acelerado como el que se ha expuesto, este tipo de industria aumenta su importancia relativa, en países que no posean una industria forestal desarrollada, pero que sí dispongan de fuentes agrícolas o subproductos celulósicos capaces de ser convertidos en ,tableros. Tal es el caso de los países productores de azúcar a partir de la caña, los que pueden disponer de cantidades de bagazo industrializables para estos fines, lo que posibilita la solución, por esta vía. de importantes problemas de la construcción de viviendas, edificios públicos y muebles que, de otra forma, sólo pudieran ser resueltos mediante costosas importaciones . El primer país en industrializar el bagazo para la producción de tableros fue Cuba. Aunque existía una pequeña fábrica desde 1929 que utilizaba fibras celulósicos mezcladas con desechos de papel para producir tableros de fibra, no es hasta la década del cincuenta que se extiende el uso del bagazo como materia prima para tableros, con la construcción de la fábrica Primadera para producción de tableros de fibra, en 1956, y de las fábricas Procuba y Maderas

Técnicas, en 1957 v 1958, respectivamente, para producir tableros de partículas . De estos años en adelante, varios países de América, África y Asia establecieron industrias de tableros de partículas y de fibra a partir del bagazo y, actualmente, las fábricas de ambos tipos de tableros suman alrededor de 30 en el mundo ; la mayor parte son fábricas de tableros de partículas . La producción mundial de tableros de partículas de bagazo, así corno el índice de aprovecha miento de las capacidades instaladas y el peso relátivo de esta producción respecto a los paneles celulósicos producidos mundialmente, se dan en la tabla 178 . TABLA 178 Producción anual Promedio 1972-1976

Producción mundial de tableros de partículas de bagazo (miles de m')

214

Capacidad instalada de producción (miles de m')

357

Aprovechamiento de la capacidad (vo)

60

Producción mundial de paneles celulósicos ( °"'o)

0,25

Producción mundial de tableros de partículas (%)

0,70

Las cifras expuestas en la tabla 178 muestran que, aun cuando en numerosos países se dispone de una materia prima tan valiosa como la caña de azúcar, aún no se ha difundido su utilización en la obtención de productos de indudable importancia económica como los tableros u otros derivados, mientras que cada año se queman, botan o destruyen miles de toneladas de material celulósico . En el caso de la producción de tableros, esto parece estar motivado por el hecho de que, prácticamente, todas las fábricas que han iniciado su producción con bagazo han confrontado dificultades de uno u otro tipo . Las principales causas de estas dificultades consisten en que se ha pretendido aplicar al bagazo esquemas tecnológicos similares a los empleados para la utilización de madera, así como problemas de mercado y otros. La experiencia cubana en esta producción y las investigaciones realizadas han demostradc, que el bagazo constituye una excelente materia prima para la obtención de tableros . No obstante ello, requiere almacenamiento, preparación y

PRODUCTOS AGLOMERADOS

279

TABLA 179 Propiedades de los tableros de bagazo y normas de calidad para tableros de madera Tableros de partículas Propiedades

Densidad

Tableros de bagazo (19 mm)

(kg/m3)

650

Módulo de ruptura (MPa) Tracción perpendicular al plano Dilatación en agua en

24 h (%)

Tableros de fibra duros Propiedades

Densidad

650

18-20 (MPa)

(kg/m3)

Módulo de ruptura (MPa) Dilatación en agua en 24 h (°v) Absorción de agua en 24 h (%) consideraciones específicas de acuerdo con sus características . En la tabla 179 se expone una comparación de las propiedades de los tableros de bagazo, con respecto a los obtenidos a partir de madera. Los datos que se muestran en la tabla 179, resultan de valores promedios de producciones industriales y evidencian la calidad que es factible lograr en los productos obtenidos del hagazo . La industria de tableros de bagazo en Cuba, en la actualidad, se encuentra en un período de notable expansión . Se modernizan, totalmente, la t'ábrica de tableros de fibra Primadera y las de tableros de partículas Procuba y Maderas Técnicas. Además, se construyen 4 nuevas fábricas para producción de tableros de partículas . Tres de éstas tienen una capacidad de 36 000 t/a y producirán tableros de part_culas de espesores medios, mientras que la cuarta producirá tableros finos de partículas con una capacidad de 27000 t/a y constituye un combinado. juntamente con una de las líneas de 36 000 t/a . Este proceso inversionista conducirá a disponer de una capacidad instalada para producir unas 180 000 t/a (unos 260 000 m3 /a) . Una importante línea que ha cobrado importancia para las industrias de artículos para el hogar, de la construcción y de producción de envases, es la producción de elementos moldeados a partir de materiales lignocelulósicos. Las tecnologías desarrolladas hasta el presente están

Normas de calidad tableros de madera (19 mm)

18

0,40-0,45

0,35

14-16

15

Tableros de bagazo (4 mm) 950-1000

Normas de calidad tableros de madera (4 mm) 900-1050

35-45

30-55

15-20

10-30

25-30

10-30

vinculadas, fuertemente, a la producción de tableros, a tal punto que se pueden considerar como una extensión de éstas . En el presente capítulo se exponen los aspectos más relevantes de las tecnologías y particularidades principales de los productos aglomerados que se pueden producir como derivados de la caña de azúcar . 2 Definiciones y clasificación de los productos aglomerados 2.1 DEFINICIONES GENERALES 2.1 .1 Productos aglomerados Son los productos que se elaboran a partir de fibras o partículas de materiales lignocelulósicos (madera, bagazo de la caña de azúcar u otros) por compactación de las mismas, logrando así, materiales de gran superficie . Los aglomerados lignocelulósicos se dividen en : tableros de fibras, tableros de partículas, elementos moldeados, tableros aglutinados con materiales inorgánicos, etc., los 2 primeros son los principales. 2 .1 .1 .1

TABLEROS DE FIBRAS

Son los productos elaborados en forma de panel con materiales lignocelulósicos, cuya unión se debe, fundamentalmente, al entrelazamiento

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZOCAR

280

y propiedades autoaglutinantes de las fibras . En el proceso productivo actúan factores como presión, temperatura, etc.; pueden ser añadidos agentes aglutinantes u otros productos en el curso de la fabricación . 2 .1 .1.2 TABLEROS DE PARTICULAS

Son los productos elaborados en forma de panel con partículas de madera u otros materiales lignocelulósicos, aglomerados con aglutinantes orgánicos, bajo la acción de temperatura y presión . 2.1 .1.3 TABLEROS AGLUTINADOS CON MATERIALES INORGÁNICOS

Tableros en los que las partículas lignocelulósicos se aglutinan con productos inorgánicos (por ejemplo, cemento) con la participación de otros productos químicos . 2.1 .1.4

PRODUCTOS MOLDEADOS

Productos obtenidos con partículas o fibras de madera u otros materiales lignocelulósicos, en cuyo proceso de producción se añaden agentes aglutinantes y otros aditivos, empleándose para el prensado, prensas con moldes, que le dan la forma del artículo deseado .

3 . Estado de su superficie . 4. Forma . Lo más importante es la clasificación según la densidad, que exponemos a continuación: CL.ASIFICACIóN DE LOS TABLEROS DE FIBRAS

2.1 .2.1

Tablero extraporoso. Tablero producido con densidad menor que 230 kg/m3. Tablero aislante . Tablero con densidad entre 230 y 400 kg/nz3. Tablero semiduro . Tablero con densidad entre 650 y 850 kg/m3. Tablero duro . Tablero cuya densidad oscila entre 850 y 900 kg/in3 . Tablero . extraduro. Tablero con densidad mayor de 900 kg/m3 . 2.1 .2.2 CLASIFICACIóN DE LOS TABLEROS DE PARTICULAS

De baja densidad . Tableros que presentan una densidad máxima de 400 kg/m3. De densidad media. Tableros cuya densidad oscila entre 400 y 800 kg/m3. De alta densidad . Tableros de partículas con densidad mayor que 800 kg/m3. 3 Materias primas 3.1 BAGAZO Y PAJA DE CAÑA

Fig. 142

Productos aglomerados de bagazo.

2.1 .2 Clasificación de los tableros Los tableros se pueden clasificar de acuerdo con diferentes aspectos. De ellos los principales son: 1 . Densidad . 2. Proceso de fabricación .

El desarrollo científico-técnico alcanzado a nivel mundial en el campo de los productos aglomerados (tableros, productos moldeados, etc.), ha posibilitado la utilización de materias primas tales como el bagazo para la fabricación de estos materiales, con éxito . p.l mayor valor práctico de la utilización del bagazo como materia prima, en esta industria, reside en el hecho de ser un excelente sustituto cualitativo de la madera, superándola, incluso, en algunos aspectos. La experiencia de Cuba confirma que en países productores de azúcar de caña, con escasos recursos forestales, la industrialización del bagazo para la fabricación de productos aglomerados puede significar una disminución de 40 - 80 % de las importaciones de madera natural, cuyo precio se ha incrementado, considerablemente, en los últimos años.

281

PRODUCTOS AGLOMERADOS TABLA 180

Bagazo sobrante en el central (%)

Producción potencial de tableros de partículas (t/a) (t/d)

20

60

18000

25

75

22 500

30

90

27000

45

130

39000

Por otra parte, se ha demostrado que con esquemas energéticos de mayor eficiencia en el central azucarero, es posible industrializar el bagazo como sobrante, es decir, sin necesidad de consumir combustible adicional . En la tabla 180 se relaciona la producción de bagazo sobrante con la potencial de tableros de partículas, a partir de ese bagazo . Se consideran 150 d de zafra y una capacidad de molida en el central de 7 400 t caña/d. De acuerdo con la composición de sólidos de la caña, el componente fibroso es, prácticamente, la mitad del contenido total . De esta fibra, es utilizable alrededor de 70 % . Esto significa que, considerando la caña en su materia sólida, la industria de productos aglomerados puede utilizar de 30 a 35 % de la misma ; sobre el peso total de la caña, esto representa 7 - 10 de aprovechamiento, en cuanto a la producción de tableros de partículas . En la búsqueda de nuevas fuentes de materia prima para la industria de aglomerados, se ha encontrado que la paja de la caña recolectada en centros de acopio, posee posibilidades de industrialización . Su composición química es similar a la del bagazo y los análisis biométricos realizados han demostrado que su fibra elemental, aunque de menor longitud, posee, aproximadamente, 30 % más de esbeltez (relación longitud/diámetro) que la del bagazo . Algunas investigaciones preliminares efectuadas utilizando paja de caña como materia prima para la elaboración de tableros de partículas, han arrojado resultados alentadores . En este sentido se trabaja actualmente en el ICIDCA . 3.2 AGLUTINANTES El aglutinante más ampliamente utilizado en la elaboración de productos aglomerados, es la resina policondensada de urea-formaldehído . Se puede asegurar que más de 90 % de la producción actual de tableros de partículas en el mundo, es realizada con este tipo de resina . En el caso de los tableros de partículas, que es el

aglomerado más ampliamente difundido, la demanda de resina es de 8 - 10 % del peso de la materia lignocelulósica (considerando ambos sobre b .s.) . Para el caso de los productos moldeados esta demanda se incrementa, disminuyéndose, sin embargo, para la producción de tableros de fibra, en los casos en que se utilice . En los últimos años, los materiales sintéticos, elaborados a partir de derivados del petróleo, han incrementado sus precios de manera sustancial, la resina urea-formaldehído ha tenido un aumento de casi 40 % en los últimos 3 a. Para los países subdesarrollados, cuya industria química no está en condiciones de producir las materias primas necesarias,incluso la propia resina, estas nuevas condiciones de precios han influido, negativamente, en el desarrollo de la producción de productos aglomerados en general. En algunos países, las empresas fabricantes de tableros han optado por producir su propia resina, tratando de disminuir la incidencia de ésta en el costo del producto final, que ya ha alcanzado 30-35% . Otros aglutinantes de menor difusión han sido las resinas policondensadas de melamina-formaldehído y fenol-formaldehído, consideradas solamente para la elaboración de productos de usos especiales. Ambas resinas proporcionan una relativamente elevada resistencia del producto final a la humedad, así como un mejoramiento considerable de sus propiedades mecánicas, pero sus costos son significativamente superiores a los de la urea-formaldehído . También han sido desarrolladas, más recientemente, resinas emulsificables de isocianato, obteniéndose muy buenos resultados en las propiedades del producto final, aunque su costo no es aún competitivo con las mencionadas anteriormente . Los aglutinantes inorgánicos comenzaron a utilizarse en combinación con materias lignocelulósicas, a escala industrial, en el año 1976. El de mayor uso ha sido el cemento, aunque también han sido utilizados el yeso, la magnesita y otros. La participación de estos aglutinantes

282

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZüCAR

en el panel, es del orden de 50 - 60 % en peso, lo que ha dado por resultado la obtención de un producto utilizable en exteriores, a causa de las características de resistencia y estabilidad propias de los aditivos inorgánicos . 3.3 ADITIVOS QUIMICOS 3 .3.1 Endurecedores y retardadores Estos aditivos son utilizados para aumentar la reactividad de las resinas y reducir los tiempos de prensado. Para catalizar la polimerización de las resinas amínicas, han sido usados el cloruro y el sulfato de amonio, el primero es el de mayor difusión . Su actividad consiste en lograr, mediante la disminución del pH, el medio ácido capaz de producir un aceleramiento en la velocidad de reacción del polímero. La temperatura de 150 - 170'Q utilizada durante el prensado del producto, también acelera el proceso de endurecimiento de la resina . En la fabricación de tableros de 1 capa, estos endurecedores son utilizados en proporciones de 0,5 - 1 %, sobre la base de la cantidad de resina sólida . En la producción de tableros de 3 capas se utilizan diferentes proporciones, en las capas exteriores y en la capa interior. Para las capas exteriores, se usa hasta 0 - 0,5 % mientras que para la capa interior la proporción es de 1,5 - 2,0 % . Para precisar las adiciones de estos productos se ha de considerar la temperatura de prensado y el tipo de prensa, así como las características generales de la resina, especialmente su contenido de formaldehído libre . Algunos fabricantes de tableros han optado, también, por el uso de retardadores para garantizar un mayor tiempo de vida de la resina preparada y evitar endurecimientos prematuros de la misma en el bagazo encolado . Su uso ha dado resultados positivos en los procesos de formación y prensado, y no tienen influencia en la dilatación del tiempo de permanencia en la prensa. Estos retardadores son sales amoniacales que tienen la característica de reaccionar con el formaldehído libre presente en la resina, lo cual proporciona una ventaja adicional en el producto final. También es utilizado como retardador la hexametilentetramina, con resultados similares a los descritos . 3.3.2 Parafina La parafina es un agente hidrófobo, que se adiciona a casi todos los productos aglomerados, con el objeto de mejorar su comportamiento frente a la humedad . A causa de las características morfológicas del bagazo, éste requiere de mayores adiciones de parafina que la madera,

para lograr similares propiedades de resistencia a la humedad en el producto final . En los productos a base de madera, se utiliza entre 0,4 - 0,7 % de parafina sólida sobre la materia lignocelulósica seca, mientras en los productos de bagazo, esta relación es usualmente de 1 % . La parafina puede ser adicionada fundida o en emulsión, esta última forma es la más difundida con contenidos de sólidos de 35 - 45 % . 3.3.3 Otros aditivos Los esfuerzos realizados en la búsqueda constante del mejoramiento de las características generales de los productos aglomerados, han dado por resultado la introducción de nuevos aditivos químicos, los más relevantes son los que le proporcionan propiedades ignífugas y los que tienen determinada actividad biológica, que inhiben el crecimiento de microorganismos en el producto final . Generalmente, la acción de los ignifugantes se basa en el desprendimiento de gases inertes que evitan la rápida propagación del fuego . En otros casos, son usadas sales derivadas de fosfatos que retardan el proceso de combustión de los agiomerados . Para lograr la protección contra el crecimiento de microorganismos, los fungicidas más utilizados son las soluciones de penta y tetraclorofenato sódico, en proporciones de 1 - 3 %, sobre la base de la materia lignocelulósica seca. Estos mantienen su actividad por largos períodos de tiempo, a causa de su buena estabilidad . Algunas otras sales inorgánicas son utilizadas en la producción de tableros de fibras para mejorar la operación de encolado y en la elaboración de paneles a base de cemento, para obtener la necesaria mineralización de las partículas . 4 Tecnología de producción de lostableros de partículas de bagazo El uso de los materiales fibrosos de plantas anuales para la fabricación de tableros de partículas, ha crecido de forma considerable en los últimos años, a causa, fundamentalmente, de la escasez y altos precios de los recursos forestales. De estos materiales, el bagazo de la caña de azúcar ocupa un importante lugar, porque además de sus excelentes propiedades, presenta la ventaja de que se dispone de cantidades suficientes, en una misma localización, como sobrante de las fábricas de azúcar, sin comprometer los requerimientos energéticos de esta industria . Es posible producir una gran variedad de tableros de partículas de bagazo, en dependencia del uso a que se destinen, de ahí que se fabriquen de diversos tipos. Los más difundidos son

283

PRODUCTOS AGLOMERADOS

los de 3 capas o multicapas, con espesores de 12 a 19 mm y densidad media, que tienen amplio uso en las industrias de fabricación de muebles y la construcción . La tecnología de producción de tableros de partículas consta de varias etapas, incluyendo el desmeollado y almacenamiento del bagazo . El desmeollado se efectúa, a causa de la necesidad de eliminar los materiales indeseables para la producción de tableros (meollo) y el almacenamiento del material fibroso, producto del carácter cíclico de la industria azucarera, que obliga

a acumular bagazo para su suministro a la planta durante el receso de la zafra. El resto de las operaciones de esta tecnología se expone a continuación (Fig. 143) . 4.1 PREPARACION DE PARTICULAS Durante la preparación de las partículas de bagazo, se reduce su tamaño hasta alcanzar las dimensiones requeridas para obtener tableros de buena calidad. Los equipos de molida más comunes para esta industria con bagazo, son los

BAGAZO INTEGRAL (100*5 %H b.a.1

DESMEOLLADO

%H=2ot2 %hs.1PRE-SECADO }.+r

EAIPAOUE

1

I

%H=2-5 %Hb.a

ALIIACETMYENrO

SECADO

RESMA

8-12 %RESINA EN BASE SECA CON RESPECTO AL PESO SECO DE LAS PART~

MWON

PREPRENSA00

TEMPERATURA = 160-210 °C PRESION EiPECIPICA-20-25 MPu

Fig. 143

Diagrama de bloques de la tecnología de producción de tableros de pertlculas de bagazo.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAPA DE AZÚCAR

284

molinos de martillos, por ser los que mejores resultados brindan . Los factores tecnológicos que más incidencia tienen en la molida son : la humedad, el estado del material y el tipo de equipo que se emplee . Un alto contenido de humedad (hasta 60 b .s .) de la materia prima, resulta beneficioso para la calidad de las partículas que se han de producir, pues se reduce la formación de polvo y aumenta la homogeneidad de las partículas, pero el rendimiento de los molinos se reduce considerablemente . En el caso de utilizar humedades muy bajas (por debajo de 15 % b.s .), la fibra obtenida no es buena y se produce gran cantidad de polvo, aunque los molinos aumentan su capacidad . Es por esto que la molida se efectúa, por lo general, con humedades de material entre 20 y 40 % b .s. Existen variados esquemas tecnológicos para la preparación del bagazo . Desarrollos recientes indican buénos resultados con el uso del presecado del bagazo, hasta humedades de 20 -±- 2 b.s ., previo a la molida . De esta manera, se logra combinar, satisfactoriamente, la preparación de partículas (a partir del bagazo desmeollado y presecado proveniente del central azucarero e introducido directamente en el proceso), con una buena preservación de la fibra en su almacenamiento, ya que parte del bagazo presecado se empaca y almacena para emplearse en el tiempo de no zafra . 4 .2 SECADO Y CLASIFICACION Concluida la preparación de partículas se procede al secado y clasificación en fracciones, para el caso de producir tableros de más de 1 capa lo que es práctica usual . Durante el secado, la - humedad del material se reduce hasta 2 - 5 % b. s ., por razones técnico-económicas, de tal manera, que se logren satisfacer los requerimientos de las etapas posteriores (encolado, formación y prensado) . Ademas, la clasificación del bagazo en fracciones también se favorece al utilizar fibras secas, por lo que, generalmente, el material se seca antes de su clasificación . Se pueden utilizar secadores directos del tipo jet o rotatorios o secadores indirectos. Se debe tener en cuenta que los mismos estén diseñados para trabajar con este material . La clasificación de las partículas consiste en la separación del material en fracciones con tamaños apropiados para formar parte de las capas de la superficie y el centro del tablero, al mismo tiempo que desechar el material no apto . La selección de los rangos de tamaño de partículas para utilizar en el exterior e interior del tablero, reviste gran importancia, ya que de esto depende, en gran medida, las propiedades del producto final .

Los equipos de clasificación se dividen en mecánicos y neumáticos, los sistemas más empleados actualmente son los que utilizan instalaciones con ambos principios . La clasificación mecánica se realiza por medio de tamices, y la neumática, al ponerse en contacto el material con una corriente de aire ascendente . Existen diferentes alternativas de disposición de los equipos clasificadores, pero, en cualquier caso, se obtienen, usualmente, 4 fracciones: material de excesivo tamaño (que se remuele y es enviado nuevamente a la clasificación), partículas-aptas para la capa central, partículas para las capas superficiales, y como fracción más pequeña, polvo que se puede emplear como combustible. Para un material con un buen grado de preparación y para el que se ha empleado una buena selección de tamices para su clasificación se puede lograr un balance de fibras apropiado, esto es, 65 % del material para el centro y 35 para la superficie. 4.3 ENCOLADO Durante el encolado, las partículas son impregnadas con un aglutinante, generalmente una resina sintética, que le imparte la solidez necesaria al producto, tras su endurecimiento en el prensado en caliente . Se pueden adicionar, también, otros aditivos químicos (agentes ignífugos, hidrófobos, etc.), para mejorar determinadas propiedades . La adición de resinas constituye un elemento determinante desde el punto de vista técnido-económico, dentro de esta tecnología, ya que las propiedades del producto final están grandemente influidas por la uniformidad del encolado y por la calidad de la resina empleada . Por otra parte, este componente tiene, actual . mente, un costo elevado . Para lograr un buen encolado es necesario mantener una relación constante partículas-resina, por lo que la dosificación de ambas corrientes debe estar bien controlada . Esto se efectúa en la industria actual de forma automática . El aglutinante de uso más difundido es la resina urea-formaldehído, aunque también se utilizan el fenol-formaldehído y la melamina-urea-formaldehído, cuando se desea obtener un produeto resistente a las condiciones de intemperismo . Las cantidades que hay que añadir oscilan entre 8 y 12 % de resina, en b .s., con respecto al peso seco de las partículas. Las máquinas más utilizadas, en la actualidad, para el encolado son las llamadas turboencoladoras o encoladoras de alta velocidad, de las cuales existen diseños para bagazo . En la operación industrial, el encolado se efectúa en 2 equipos, uno para la corriente de material del centro del tablero y otro para las partículas de la superficie.

285

PRODUCTOS AGLOMERADOS

4.4 FORMACION La formación es la operación tecnológica que sigue al encolado . En ella las partículas encoladas son distribuidas por capas en forma de colchón homogéneo, sobre chapas metálicas o bandas sintéticas continuas, para ser conducidas a la prensa . La calidad del tablero producido está, decisivamente, influida por esta operación y el éxito de la misma dependerá de la uniformidad con que se distribuyan las partículas. Los equipos utilizados para estos fines actúan, en general, mediante principios de distribución de las partículas en forma mecánica, neumática o por combinación de ambos. La tendencia actual se orienta hacia la utilización de estaciones de formación neumáticas o mecánico-neumáticas. Con bagazo se han probado instalaciones mecánicas y mecánico-neumáticas con resultados aceptables; no obstante, la experiencia industrial parece indicar que, para el caso de esta materia prima, la formación neumática es la más prometedora, a causa del hecho de que las partículas de bagazo muestran una tendencia natural a agruparse entre sí, además, las características de su composición granulométrica provotan que al ser distribuidas por rodillos mecánicos se logre menor uniformidad en el colchón que cuando son esparcidas neumáticamente . 4.5 PREPRENSADO Y PRENSADO El colchón obtenido durante la formación tiene poca consistencia ; las partículas acomodadas tienen entre 10 y 20 veces el espesor final del tablero, es por esto que con el fin de conservar la estabilidad del mismo durante su transportación hasta la prensa caliente y aumentar la eficiencia del prensado, éste se preprensa, una vez salido de la estación de formación . Se pueden emplear preprensas discontinuas de platos o continuas (de rodillos) . La operación de prensado consiste en la aplicación de presión y temperatura al colchón preprensado, con el fin de compactarlo hasta el espesor deseado y gndurecer el aglutinante, para

así unir las partículas y dar forma y solidez al tablero . La prensa caliente es considerada el corazón de una línea de producción de tableros, ya que es el paso determinante que define la capacidad de producción, además de ejercer una gran influencia en las características del producto final. Estas pueden ser de una abertura o de múltiples aberturas, el uso de estas últimas está más difundido . Cada tipo tiene sus ventajas y desventajas, es por esto que se recomienda para su adquisición, de un análisis técnico-económico cuidadoso, acorde a las condiciones locales. Los tiempos de prensado oscilan, generalmente, entre 0,25 y 0,4 min/mm de espesor del tablero, en prensas de aberturas múltiples y entre 0,13 y 0,2 min/mm de espesor, del tablero para prensas de 1 abertura. La temperatura de prensado varía de 160 a 170°C, para las primeras y de 180 a 210° C para las segundas . Las presiones específicas de prensado son del orden de 2,0 a 2,5 MPa (Fig. 144) . Los medios de calentamiento más difundidos son el vapor de agua, el agua caliente y el aceite térmico; la tendencia actual se encamina hacia la utilización de este último por las ventajas que presenta (mayor uniformidad del calentamiento, no requiere plantas de tratamiento de agua, etc) . Existen numerosos factores que influyen en el proceso de prensado, entre los cuales se encuentran : 1 . Tipo de resina y aditivos empleados . 2 . Humedad del colchón y su distribución . 3 . Presión . 4 . Forma de calentamiento y temperatura de la prensa . 5. Ciclo de prensado . Por todo lo anteriormente expuesto, se puede concluir que en la operación de prensado, para lograr una alta producción - con calidad y de DENSIDAD= 650 kgkm= ESPESOR=19 mm RESINA=UREA FORMAIDEHIDO TEMP=160°C

Km FSPEIFICA

0

1

2

3

4

5

5

7min e TIEMPO

Fig. 144 Diagrama de prensado para la producción de tableros de partículas de bagazo .

286

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZúCAR

Fig. 145 Planta Camilo Cienfuegos (linea de formación y prensado de plantas de partículas).

forma económica, es muy importante el establecimiento de parámetros correctos acorde con los requisitos tecnológicos (Fig. 145) . 4.6 TERMINACION Los tableros al salir de la prensa son sometidos a una serie de operaciones con el fin de lograr su terminación . La primera que, generalmente, se efectúa, es el corte de sus bordes (can-

teado) con lo cual se le imparten sus dimensiones finales, al mismo tiempo que se eliminan los defectos en los bordes . Esta operación se lleva a cabo en sierras circulares, equipadas, las más modernas, con accesorios para triturar el material sobrante, el que puede ser recuperado e introducido de nuevo en el proceso . A continuación, los tableros se colocan en estibas, por espacio de varios días (aproximadamente 5), con el fin de lograr el curado final de

Fig. 146 Exterior de la planta de tableros Camilo Cienfuegos .

287

PRODUCTOS AGLOMERADOS la resina v la estabilización del contenido de humedad . A esta operación se le denomina climatización. En la mayoría de los casos, los tableros de partículas ya climatizados no poseen los requisitos exigidos, en cuanto a la calidad superficial y tolerancia en espesor . Es por esto, que son sometidos a un proceso de lijado, por ambas caras, a fin de calibrar su espesor y dar mejor acabado a la superficie, sea para su expedición o para aplicar un recubrimiento superficial . La creciente necesidad de máquinas lijadoras altamente eficientes para la producción, en gran escala, de de tableros de partículas, condujo al desarrollo de máquinas lijadoras de banda ancha, las cuales, junto a una alta velocidad de operación, brindan un excelente acabado de la superficie de los tableros . A causa de que aún no está ampliamente difundida en el mundo la cultura tecnológica para la producción de tableros de partículas de bagazo, es importante considerar algunas premisas para la introducción de esta industria, como son : instalación de esquemas energéticos adecuados, en los centrales azucareros, capaces de brindar cantidades suficientes de bagazo sobrante, sin comprometer sus requerimientos de energía ; diseñar la concepción tecnológica de la planta de tableros, teniendo en cuenta las particularidades y el comportamiento de esta materia prima (que difiere, en muchos casos, de la madera) ; demostrar las bondades de este producto para crear una conciencia nacional acerca de las ventajas de su utilización, etc . No existe duda, y algunos países así lo han demostrado, de que la producción de tableros de partículas de bagazo resulta un renglón de grandes perspectivas en aquellos países que posean este importante recurso natural (Fig . 146) .

5 Tecnología de producción de los tableros de fibra La producción de tableros de fibra se realiza, actualmente, por 3 métodos tecnológicamente diferentes : el método húmedo, el método húmedo-seco y el método seco. La denominación de cada método responde al sistema utilizado para realizar los procesos de formación del colchón y prensado. Tanto la formación como el prensado se pueden realizar en húmedo o en seco. Si ambas operaciones se realizan en húmedo, la tecnología es denominada método húmedo ; cuando la formación se realiza en húmedo y el prensado en seco, el sistema adoptado es el húmedo-seco y en el método seco, ambos procesos son realizados a muy baja humedad . Cada tecnología posee sus propias ventajas y desventajas, éstas están asociadas, fundamental-

mente, al consumo de agua y su tratamiento como residual, al consumo de resinas, a los peligros de incendios y explosiones, a las características específicas del equipamiento para cada método y a las propiedades del producto final . Se ha demostrado que el bagazo como materia prima es apto para ser procesado por cualquiera de las 3 tecnologías, aunque su utilización industrial ha estado relacionada con los métodos húmedos y húmedo-seco . Se debe señalar, que el uso del bagazo en la industria de tableros de fibra ha requerido que se realizaran modificaciones en el equipamiento desarrollado para procesar la madera, especialmente, en lo que se refiere a la elaboración de la pulpa . 5.1 ELABORACION DE LA PULPA La materia prima básica para la fabricación de los tableros de fibra, se obtiene mediante la transformación de adecuados materiales lignocelulósicos a un estado fibroso, donde predominan las fibras y haces de fibras, cuyas dimensiones son muy inferiores a las del material original . Para lograr esa transformación de la materia prima han sido desarrollados diferentes procesos, los más utilizados por la industria de tableros son el método de pulpeo mecánico, el químico-mecánico y el termomecánico . Los 2 primeros jugaron un importante papel en el surgimiento y desarrollo de esta industria, pero con la aparición del tratamiento térmico de la materia prima, previo a la desfibración y refinación mecánicas, quedaron rezagados . El proceso termomecánico de pulpeo, significó, para la industria, una disminución en el consumo energético durante la preparación del material y un incremento en la homogeneidad y calidad de la pulpa . Este proceso se basa en el ablandamiento de la lignina contenida en las paredes intercelulares de las fibras individuales, a una temperatura superior a los 150 °C, en estas condiciones, la fibra incrementa, notablemente, su plasticidad, favoreciéndose la separación en pequeños haces fibrosos, mediante la aplicación de un conveniente efecto mecánico . El proceso de tratamiento térmico, originalmente, se realizó en ,digestores discontinuos, fijos o rotatorios, en los que se depositaba la materia lignocelulósica y el agua capaz de reálizar la prehidrólisis del material, a una temperatura de 160 - 180°C . El calentamiento de los digestores se realizaba por vaporización directa, generalmente, con vapor saturado a una presión de 10 atm . Durante este tratamiento, a causa de la elevada proporción de agua, una parte de las pentosanas presentes son hidrolizadas, lo que determina cambios en la composición química del material y pérdidas en la materia prima. Sin embargo, si el proceso de calentamiento se realiza por corto tiempo a una humedad infe-

288

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZúCAR

rior a 70 %, sin la adición de productos químicos y a una temperatura de 160 - 180 °C, la acción hidrolítica es muy limitada por lo que, generalmente, se considera que para estas condiciones la materia prima no cambia en su composición química . Precisamente, en estas últimas consideraciones y en la plastificación de los materiales lignocelulósicos, se basó Arne Asplund (Suecia) cuando ideó el método continuo de elaboración de pulpa, donde las operaciones de tratamiento térmico y desfibrado de la materia prima se realizan de forma continua en un equipo compacto . El material que se va a procesar es alimentado, continuamente, a una cámara de precalentamiento, vertical u horizontal, permaneciendo en ésta, por algunos minutos, antes de pasar a la máquina desfibradora. Durante la alimentación se puede adicionar productos químicos que mejoren la cocción del material, pero esta práctica resulta inusual en la industria de tableros de fibra, a causa de que

el grado de molida demandado en la pulpa no es tan elevado como en otras industrias, como, por ejemplo, la del papel. A la cámara de precalentamiento es suministrado vapor saturado a una presión de 8- 10 atm, lo que posibilita la termoplastificación de la lignina y el ablandamiento del material, que pasa, posteriormente, al deslibrador donde, por un esfuerzo mecánico de cizallamiento, es separado en haces fibrosos . En este proceso de desfibrado, el consumo energético depende del tipo de pulpa que se desee producir . Así, para la elaboración de tableros duros, cuyo grado de molida es de 18 - 25 s De/ibrator, el consumo es de 125 - 200 kw-h/t de pulpa seca, mientras que para tableros aislantes o porosos, este consumo puede aumentar hasta 400 kW. h1t de pulpa seca, a causa del superior grado de molida demandado que es de 30 - 40 s Defibrator (Fig. 147) . En los últimos años, el auge adquirido por el bagazo como materia prima, ha determinado que numerosas firmas constructoras de estas máquinas hayan realizado diseños específicos que se

Fig. 147 Termodesfibrador. 1 . Tolva de alimentación. 2 . Vibrador. 3, Tornillo ali mentador . 4 . Tapón de material. 5. Entrada de vapor. 6 . Precalentador . 7 . Controlador . 8. Tornill o conductor. 9 . Desfibrador .

289

PRODUCTOS AGLOMERADOS

ajusten con mayor precisión a las características del bagazo . Actualmente, existen en el mundo, alrededor de 15 plantas de producción de tableros de fibra, la mayoría de las cuales utiliza pulpa termomecánica elaborada en termodesfibradores . 5.2 ENCOLADO (ADITIVOS QUIMICOS) Para mejorar las características del producto final, antes de la formación, se agregan a la pulpa determinados aditivos químicos . Cuando la formación se realiza en húmedo, normalmente no se adiciona ningún tipo de aglutinante, para este fin sirve la propia lignina que posee la materia prima y que es reactivada durante el proceso de prensado . En el método seco, aunque se han realizado esfuerzos para desarrollar una tecnología que no use aglutinantes, los mejores resultados se han obtenido adicionando de 5 a 7 de resina de fenol-formaldehído o urea-formaldehído . Un aditivo generalmente utilizado es la parafina, fundida o en emulsión a 35 - 45 % de sólidos . Para productos de bagazo, ésta es adicionada en proporción de 1 %, sobre la materia prima seca. La parafina es un agente hidrófobo, capaz de aumentar la resistencia del producto final a la humedad y mejorar, por tanto, su estabilidad dimensional . También han sido utilizados otros aditivos para proteger al tablero del ataque de hongos y bacterias, así como agentes ignifugantes y otros . En los procesos de formación en húmedo, estos aditivos se agregan antes de la formación, con

Fig. 148

una consistencia de la pulpa de 6 - 7 % . Durante el mezclado, se añade sulfato de aluminio, a fin de modificar el pH y producir la floculación de geles que favorecen la precipitación de la parafina y otros productos adicionados sobre la pulpa . En el método seco de formación, estos productos se adicionan en las máquinas desfibradora o refinadora, juntamente con la resina . 5.3 FORMACION DEL COLCHON El método de formación del colchón a partir de una suspensión de pulpa a baja consistencia, fue el primero que utilizó la industria de tableros de fibra desde sus orígenes . Este método encontró una amplia difusión a causa de su fácil operación y versatilidad para producir tableros de diferentes características . Los 2 sistemas más conocidos de formación en húmedo son el Fourdrinier y el de cilindros . El primero se basa en el derrame de la suspensión de pulpa sobre una banda de malla plana que se desplaza a una velocidad de 2-8 m/min, en dependencia del tipo de tablero que se pretenda producir . El segundo sistema se fundamenta en la deposición de la pulpa sobre las mallas de 2 cilindros sumergidos, parcialmente, dentro de la suspensión de pulpa ; el agua drena a través de la malla, la pulpa queda depositada sobre ambos cilindros, desde donde es extraída en formn de colchón y continuamente . Ambos sistemas han demostrado ser adecuados para, procesar el bagazo, pues se obtiene un entrecruzamiento de la fibra que le proporciona una considerable resistencia al producto

Línea de formación en húmedo para tableros de fibra (sistema Four. drinier).

290

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

final, sin necesidad de emplear resina. En Cuba, este último sistema ha sido utilizado por más de 20 a con notable éxito. La formación en húmedo posee la versatilidad de poder producir una amplia gama de densidades, es decir, desde tableros porosos hasta tableros duros (Fig . 148) . El otro método, más recientemente desarro llado, utiliza para la formación del colchón la fibra encolada y seca a una humedad de 2-4 En estas condiciones de baja humedad, la fibra se hace muy combustible, por lo que es necesario tomar medidas especiales contra incendios y explosiones . El principio de formación se basa en la distribución neumática de las fibras sobre una malla en movimiento, cuya velocidad depende del espesor del tablero que se desee prodecir. Este método, denominado seco, permite la producción de tableros de media (MDF) y alta densidad ; la producción de tableros porosos queda reducida al método húmedo de formación . Una ventaja del proceso seco consiste en la diversidad de espesores que es posible lograr, comparable al obtenido por la industria de tableros de partículas . La producción de tableros de densidad media (MDF), ha experimentado un auge vertiginoso recientemente. En los últimos años, el proceso húmedo ha encontrado numerosos opositores a causa de los excesivos consumos de agua (de 30-50 m3 /t de tableros) o a los gastos de su tratamiento como residual para su recuperación y reutilización. Sin duda el consumo de agua puede constituir una desventaja del proceso húmedo, aunque en países como Suecia, Francia, EE. UU . y otros, han logrado reducciones en el consumo hasta de 2 m 3 /t de tableros, mediante la purificación y recirculación del agua de proceso, lo que ha permitido que este método incremente de nuevo sus posibilidades de empleo. 5 .4 PRENSADO

La operación de prensado se puede efectuar tanto en húmedo como en seco . Si la formación se produce en húmedo, el prensado se puede realizar en húmedo o en seco, en dependencia de la tecnología adoptada. El colchón, a la salida de la formadora, recibe un prensado en frío del que sale con una humedad entre 60 - 65 % ; este colchón puede ser secado, completamente, hasta una humedad de 2-4 %, tanto para la producción de tableros porosos, como para ser sometido al prensado en caliente. En este último caso, el método es el denominado húmedo-seco y el tablero obtenido es liso por ambas caras, con buena calidad en la superficie para su posterior tratamiento . La presión utilizada es de 6 MPa, cuando el colchón es sometido al pren-

sado en caliente, a una humedad de 60 - 65 %, método húmedo ; es necesario colocar una malla metálica entre el colchón y un plato de la prensa a fin de que drene el agua que sale al prensar; el tablero queda liso por una sola cara, en este case, los tiempos de 15rensado se dilatan hasta 10 min y más, a causa de la cantidad de agua que es necesario evaporar . La presión específica máxima es de 5,0-5,5 AIPa . En el proceso seco de formación y prensado se obtiene un tablero liso, por ambas caras, con una excelente terminación superficial a causa ,le, la estructuración del material durante la formación . Los tiempos de prensado son inferiores a los necesarios en los métodos húmedo y húmedo-seco, estando definidos por el endureci.niento de la resina. Se han logrado tiempos totales de 140 - 160 s, lo que ha permitido incrementar, sustancialmente, la productividad de las prensas . Cuando no se utiliza resina, los tiempos de prensado se incrementan hasta 300 s, la presión y temperatura son de 6-7 MPa y 200 - 230'C, respectivamente (Fig. 149) .

Proceso Húmedo

I

N

1101111M

IrMIMMMMMMM on NONE 0 1 1 3 5 6 7min0

Proceso Seco

Fig. 149 Diagrarnas de prensado para tableros de libra duros. 5 .5 ACABADO DE LOS TABLEROS

Ln proceso de especial importancia durante la manufactura de tableros de fibra es la humidificación y acondicionamiento posterior para evitar posibles deformaciones. Para equilibrar la humedad del tablero con la humedad ambiental, éste se somete a un clima altamente húmedo, a una temperatura aproximada de 50'C, por un tiempo de 4 - 5 h. Es posible acortar este tiempo si se utiliza una atmósfera completamente saturada (100 % humedad relativa) y temperaturas ligeramente superiores a los 50 °C . Cuando no se cuente con los túneles adecuados para realizar la humidificación, es posible sumergir en agua el tablero, por muy corto tiempo, o rociarle agua por ambas caras mediante atomización .

29 1

PRODUCTOS AGLOMERADOS Pala elaborar tableros de superior calidad, éstos se someten a un tratamiento térmico en cámaras de aire caliente . Numerosos sistemas tie tratamiento han sido utilizados, el más generalizado es el de someter el tablero por 4 ó 5 h a una temperatura de 140 - 150 °C. Se reporta, que mediante un tratamiento de este tipo o similar, el tablero puede incrementar su módulo de ruptura entre 15 - 20 % . El tratamiento con aceites secantes también ha sido utilizado para mejorar, en general, las propiedades del tablero, pero el incremento en el precio de estos aceites ha limitado su utilización sólo a casos muy especiales de uso . Por otra parte, el aceite produce una capa superficial en el tablero que afecta la adhesividad del recubrimiento, por lo que también queda reducida su utilización por esta causa.

3 . Elementos varios para muebles del hogar (tapas de mesas, piezas para sillas) . 4. Contenedores para transporte y almacenamiento (cajas, paletas) . 5. Elementos ornamentales para la construcción (cubiertas para paredes, cielos rasos, coberturas de calefactores) . 6 . Piezas para la construcción (encofrados) . 7. Féretros . 8. Otros (Fig. 150) .

6 Productos moldeados Además de la producción de paneles de gran superficie y de forma plana (tableros de partículas, tableros de fibras, etc .), con materiales lignocelulósicos, se pueden fabricar, también, piezas de formas variadas a las que se denominan productos moldeados . Dentro de esta categoría se encuentran los productos que adquieren su forma final en una sola operación, mediante el prensado en moldes de materiales lignocelulósicos, previamente preparados con la participación o no de resinas sintéticas, pero no se incluyen los paneles conformados por el tallado o aserrado de la madera bruta o por prensado en moldes de láminas o chapillas de madera encolada . En esencia, la fabricación de productos moldeados se puede considerar como una extensión de las tecnologías de producción de fibras y de partículas, la diferencia fundamental consiste en el hecho de utilizar moldes durante el proceso de prensado, lo que brinda la posibilidad de producir piezas de diferentes formas, con materiales lignocelulósicos aglomerados . Las tecnologías más difundidas para la producción de estos elementos, son las que utilizan el proceso seco con adición de resinas, es decir, similares a las de producción de tableros de partículas y son éstas a las que nos referiremos en lo adelante . Por medio de estos procesos de moldeo se pueden fabricar : 1 . Gabinetes para radios,televisores, grabadoras . 2. Componentes para mobiliario de cocina (banquetas, puertas de aparador) .

Fig . 150 A y B. Productos moldeados.

292

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

Hay, en la actualidad, 3 tecnologías principales para fabricar productos moldeados, las que fueron desarrolladas en Alemania y son conocidas como los procesos : 1 . Thermodyn . 2. Collipress . 3. Werzalit . Algunas de las cuestiones más significativas de estos procesos son : 6.1 THERMODYN Utiliza altas temperaturas (hasta 300 °C) y presiones (20 - 30 MPa) en la operación de prensado, que se efectúa en moldes herméticamente cerrados . Presenta como característica peculiar, que no utiliza resinas (o en muy bajo contenido), a causa de que las altas, temperaturas 'empleadas en el proceso de prensado originan reacciones en el material lignocelulósico, dando esto como resulta la activación de la lignina que funge como autoaglutinante del producto. Tiene como gran desventaja la necesidad de enfriar el molde cerrado, una vez concluido el prensado, con el fin de condensar los vapores de agua que se producen, lo cual trae como resultado que el proceso de prensado sea largo y costoso . Se obtiene productos moldeados de alta densidad (1 a 1,3 kg/ /m3) . 6.2 COLLIPRESS Proceso dirigido a la fabricación de envases de diferentes tipos . Se utilizan prensas con un diseño especial, que cuentan con un pistón vertical y varios laterales . Se utiliza resina urea-formaldehído o fenol-formaldehído (5 a 15 %) como aglutinante y la presión y temperatura en el proceso de prensado son del orden de 5 - 10 MPa y 140 - 200 °C, respectivamente . 6.3 WERZALIT Es el proceso más difundido para la fabricación de piezas moldeadas y mediante el mismo se puede producir una gran variedad de elementos o piezas . Utiliza resina urea-formaldehído, fenol-folmaldehído o melamina-urea-formaldehído, en cantidades de 5 a 20 %, referidas a las partículas secas. La presión de prensado puede variar de 1,3 a 10 MPa y la temperatura desde 135 a 180 °C. Presenta como ventaja significativa, la posibilidad de recubrir las piezas moldeadas con papeles impregnados con resinas o chapillas de madera, durante el prensado, obteniéndose así las .-piezas terminadas en una sola etapa .

La producción de piezas moldeadas con materiales lignocelulósicos, en estos momentos, no se puede considerar como una producción de gran difusión y masividad a nivel mundial, a causa, fundamentalmente, de la competencia que desde el punto de vista económico aún ofrecen otros materiales (por ejemplo, el plástico), no obstante, se preve una expansión en los próximos años a causa del incremento gradual de precios de los productos derivados de la petroquímica, y a la calidad y grandes posibilidades, desde el punto de vista del diseño, que tienen los productos moldeados de materiales lignocelulósicos para las industrias del mueble y la construcción. Esta industria se ha ido introduciendo, en forma paulatina, bajo ciertas premisas que es importante considerar para su establecimiento: 1.

Desarrollo, fundamentalmente, de los artículos que elaborados por métodos convencionales (carpintería, etc .), tengan un alto costo o produzcan muchos desechos.

2. El proceso debe ser lo suficientemente versátil para asimilar, con pequeñas variaciones, la producción de diferentes artículos . 3. Producir grandes cantidades de un mismo artículo para hacer más rentable la producción, dado el elevado costo de los moldes y dispositivos. En estos últimos años, se ha mostrado inclinación e interés crecientes por la utilización de residuos agrícolas y plantas anuales, en la fabricación, tanto de tableros como de elementos moldeados, dada la escasez ascendente de recursos forestales . Dentro de este campo, ocupa un lugar relevante la utilización del bagazo de la caña de azúcar . A continuación se esbozan algunos de los aspectos más importantes de la tecnología para la producción de elementos moldeados a partir del bagazo de la caña de azúcar (Fig. 151) . 6.4 TECNOLOGYA DE PRODUCCION DE PRODUCTOS MOLDEADOS DE BAGAZO 6.4.1 Desmeollado Por medio de esta operación, se separa el meollo (material indeseable, dadas las inadecuadas propiedades de resistencia, absorción de agua, etcétera, que le confiere al producto) de las fibras de bagazo, tejido apto para esta producción . Para esta tecnología es recomendable el desmeollado del bagazo en húmedo, a la salida del central azucarero (% humedad 100 ± 5 % b.s.) ; pueden ser utilizados equipos de molida con rotor

PRODUCTOS AGLOMERADOS

BAGAZO PROVENIENTE DEL CENTRAL AZUCARERO DESMEOLLADO

EMPAQUE

ALMACENAMIENTO

PREPARACION DE PARTICULAS

SECADO

CLASIFICACION

ENCOLADO

FORMACION

PREPRENSADO

PRENSADO

TERMINACION

Fig. 151 Diagrama de bloques de la tecnología de producción de piezas moldeadas de bagazo.

vertical u horizontal combinados o no con cribas adicionales . El tanto por ciento de separación de la fracción meollo, en esta operación, es del orden de 25 a 40 "io del bagazo alimentado, en dependencia del proceso utilizado, . la cantidad deseada de fibras, etcétera.

Se debe señalar, en este aspecto, directamente vinculado con el suministro de bagazo, que dado el carácter cíclico de la industria azucarera. (120-180 d de zafra), es necesario almacenar suficiente bagazo para lograr el abastecimiento de la planta de aglomerados durante todo el año (280 - 300 d) .

294

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

Este almacenamiento se puede realizar de diferentes formas: bagazo integral, bagazo desmeollado, bagazo desmeollado y prencado, etc., en pacas o briquetas . El almacenamiento del bagazo es un aspecto técnico-económico de vital importancia para esta tecnología, por lo que debe ser estudiado, con detenimiento, en las condiciones particulares en que se planifique la erección de una planta de moldeados . 6.4 .2

Preparación de partículas

Consiste en el dimensionamiento de las partículas, con el fin de lograr una composición granulométrica adecuada . Se utilizan, comúnmente, molinos de martillos, los cuales trabajan, de manera eficiente, con bagazo . Es importante tomar en consideración, en la concepción tecnológica, de esta etapa del proceso, variables como : tanto por ciento de humedad del bagazo, Tipo de producto final que se va a elaborar y su grado de terminación, etc . En general, para este tipo de producción se utilizan partículas de menor tamaño que las empleadas para la confección de tableros de partículas, sus longitudes máximas oscilan entre 4 - 5 mm y las mínimas entre 0,2 - 0,5 mm. 6.4 .3

Secado

En esta operación se reduce el contenido de humedad de las partículas de bagazo, generalmente, hasta 2 - 5 % b.s., con lo que se satisfacen los requerimientos de las operaciones siguientes (clasificación, encolado, prensado) . Pueden ser utilizados equipos de secado directo tipo Jet o rotatorios o secados indirectos, los que han sido probados con bagazo . 6.4 .4

Clasificación

Por medio de la dosificación del material seco, se selecciona la fracción de partículas con tamaños adecuados para confeccionar los productos moldeados, los equipos de uso más difundido son los clasificadores por principios mecánicos, en los cuales se hace pasar el material por mallas con determinadas aberturas y movimiento vibratorio. Un esquema de clasificación posible, consiste en hacer pasar el material por un juego de 2 mallas, en que la superior tiene de 5 a 6 mm de abertura y la inferior de 0,2 a 0,3 mm de abertura . La fracción, con tamaño mayor de 5 a 6 min, es remolida y alimentada nuevamente al clasificador, la fracción intermedia obtenida entre ambas mallas, es empleada en el proceso de fabricación y la parte recolectada con tamaño menor de 0,2 - 0,3 mm es desechada y se puede utilizar como combustible .

Es importante considerar, que el tamaño de partículas utilizado ejercerá gran influencia en las características finales del producto (grado de terminación, propiedades físico-mecánicas, etcétera) por lo que se debe seleccionar, cuidadosamente, el esquema de clasificación, a fin de lograr un producto con las características esperadas. 6.4 .5

Encolado

Una vez obtenida la fracción de partículas aptas para la confección de productos moldeados, éstas son impregnadas con un encolante orgánico (urea-formaldehído, fenol-formaldehído o melamina-urea-formaldehído) en un orden de 5 a 20 % . Se utiliza resina urea-formaldehído para los productos que no necesitan ser resistentes a las condiciones de intemperismo o a exposiciones en un ambiente con alto contenido de humedad, para estos casos son convenientes las resinas fenólicas o de melamina . Juntamente con la adición de las resinas a las partículas, pueden ser añadidos otros aditivos para conferir determinadas propiedades al producto, por ejemplo, agentes ignífugos, hidrófobos, etc. La operación de encolado de las partículas resulta importante, tanto en la economía de producción, como en la calidad del producto elaborado, a causa de los altos costos de estas resinas sintéticas y por el hecho de que para lograr un producto de buena y estable calidad, es necesaria una correcta impregnación de las partículas. Se han desarrollado equipos encoladores para bagazo que brindan resultados satisfactorios. 6.4 .6

Formación

Consiste en la distribución de las partículas encoladas sobre la matriz o molde. Existen, para la fabricación de determinadas piezas, sistemas mecánicos de formación que realizan esta operación automáticamente (por ejemplo, líneas de fabricación de paletas), no obstante, si se desea un bajo grado de automatización, esta operación se puede efectuar, manualmente. Es muy importante, lograr una buena distribución de las partículas encoladas sobre el-molde, y en las cantidades necesarias para obtener un producto de calidad uniforme . 6.4 .7

Preprensado y prensado

En estas operaciones se confiere la solidez y formas definitivas a las piezas. El preprensado se efectúa, generalmente, en frío y consiste en la compactación de las partículas encoladas, de tal forma, que adquieran cierta resistencia y se pueda manipular la pieza preconformada para

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR ser colocada sobre el molde de la prensa caliente. Esta operación se practica cuando se van a producir piezas recubiertas con papeles impregnados, de tal forma, que el prensado en caliente se efectúe conjuntamente con el recubrimiento . En caso de producir elementos que no son tratados con recubrimiento sólidos se puede eliminar la operación de preprensado . Los parámetros del prensado en caliente como tiempo, temperatura y presión, están directamente relacionados con el tipo de pieza que se vaya a producir, espesor, tipo de aglutinante, etc ., y pueden oscilar entre los valores : Presión = 1,5 - 10 MPa. Tiempo = 1 - 10 min. Temperatura = 130 - 180 °C. 6.4.8 Terminación Puede consistir en un variado número de operaciones, en dependencia de la pieza elaborada . Entre estas operaciones puede estar, la eliminación del material sobrante de los bordes, el corte de determinadas partes, barrenado, etiqueteado, etc . En la actualidad, existen equipos para realizar estas operaciones .

295

Aunque la escala mundial de la industria de productos moldeados, es aún pequeña, algunas tecnologías han logrado una buena aceptación y crecimiento en los últimos años, en la actualidad, existen instalaciones, en países como EE. UU ., Alemania, Inglaterra, Checoslovaquia, Yugoslavia, Francia y otros. Algunos países productores de azúcar de caña y, por consiguiente, con cantidades suficientes de bagazo para su industrialización como Cuba, Argentina y Venezuela, han mostrado interés por la instalación de plantas en las líneas de fabricación de envases, la construcción e industria del mueble ; con lo cual se pueden lograr importantes ventajas económicas, como diversi. ficación de la industria, sustitución de importaciones y posible fuente de exportaciones, uso más apropiado del bagazo, etc . Finalmente, se debe señalar el hecho de que para instalar una industria de este tipo con bagazo es muy importante tomar en consideración las características propias de este material, por lo que se debe hacer una buena selección del tipo de almacenamiento, de la tecnología de desmeollado, preparación y manipulación del bagazo, así como valorar sus particularidades para la confección de los moldes.

6.5 PROPIEDADES

7 Productos aglutinados con materiales inorgánicos

Resulta difícil ofrecer valores para las propiedades físicas o mecánicas de los productos moldeados, a causa de la gran variedad de piezas que se fabrican y la alta influencia que en sus propiedades tienen la materia prima utilizada (tipo de madera, bagazo, etc .), el agente encolante, su proporción, el espesor del producto, acabado, etc .; no obstante, en la tabla 181 se muestran algunos valores indicativos para 2 tipos de productos elaborados con bagazo.

En la actualidad, se fabrican varios tipos de productos aglomerados, elaborados con materiales lignocelulósicos (fundamentalmente madera), aglutinados con sustancias inorgánicas, a los que se denomina, comúnmente, productos aglomerados con minerales . Dentro de esta categoría, se pueden mencionar, entre otros, los obtenidos con lana de madera y los tableros de partículas de madera-cemento .

TABLA 181 Propiedades de elementos moldeados de bagazo Cajas moldeadas Dimensiones : Densidad :

Paletas moldeadas

595 x 395 x 240 mm 650-750 kg/m'

Densidad

Espesor de las paredes : 4 mm Resistencia a la flexión: Dilatación del espesor por inmersión total en agua:

Dimensiones :

25 MPa 15 48

Carga:

1200 x 1000 mm 750-800 kg/m=

1000 kg

296

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZQCAR

En estos aglomerados se logra combinar, favorablemente, las características de sus componentes (fibras vegetales y aglomerantes inorgánicos), lo que da como resultado, un producto con buenas propiedades mecánicas, acústicas, resistente a las condiciones de intemperismo, al fuego y al ataque de hongos e insectos. Estas propiedades, no sólo están influidas, por las materias primas utilizadas, sino también por la densidad final alcanzada (que es función del grado de compresión empleado en el proceso de fabricación), y que puede variar desde 350 kg/ /2n3 hasta 1350 kg/m3. Así, los productos que tienen como base lana de madera, que son los de menor densidad (350 kg/m3 - 570 kg/m3), presentan valores bajos de resistencia, pero son muy ligeros y tienen muy buenas propiedades aislantes del sonido y el calor. Los tableros de partículas de madera-cemento tienen mayor densidad (900 kg/na3 - 1 350 kg/m3) y logran mejores propiedades mecánicas y mayor calidad superficial junto a resistencia al fuego y a condiciones climáticas de intemperismo (Fig. 152) . De estos materiales, los productos elaborados con lana de madera se fabrican desde hace más de 30 a y son los que mayor difusión tienen en la actualidad, mientras que los tableros de partículas aglutinados con cemento, son de desarrollo más reciente (Elmendorf Research Incorporated, 1962) y han logrado una gran acogida en el mercado, a causa de su buena calidad como material de construcción. Las principales materias primas empleadas en la fabricación de estos productos son, madera u otros tipos de residuos lignocelulósicos (cáscara de arroz, tallo del algodón, cte.) y el aglutinante inorgánico (cemento Portland, yeso, magnesita) . De estos últimos el más difundido es el cemento Portland de fraguado rápido . En cuanto al material lignocelulósico que se vaya a emplear, se debe señalar que existen compuestos presentes en los mimos que resultan retardadores del curado del cemento (azúcar y fenoles), a los que se denomina envenenadores del cemento, los que, por encima de ciertas concentraciones, hacen prohibitivo el uso de estas materias primas . De ahí la importancia de una buena selección del tipo de material lignocelulósico, para obtener buenos resultados . Es conocido, que las maderas blandas (coníferas) son más apropiadas para estas tecnologías que las maderas duras, pues estas últimas tienen un alto contenido de hemicelulosa . Son utilizados, por lo general, algunos aditivos químicos que sirven como aceleradores del fraguado del cemento, los más importantes son: silicato de sodio, sulfato de aluminio y cloruro de calcio . Sobre el uso del bagazo, no existe una gran experiencia en el mundo acerca de la utiliza-

Fig. 152 A y B. Construcciones en las que se ha utili. zado paneles de madera-cemento.

ción de esta materia prima en la confección de productos aglomerados cori cemento, no obstante se han realizado ensayos experimentales en países como Cuba y Alemania, en la tecnología de fabricación de tableros de partículas bagazo-cemento, con resultados satisfactorios, por lo que existe una base orientadora para el desarrollo de esta tecnología y su implementación a escala industrial . A continuación se mencionan algunos aspectos de importancia en la producción de tableros hagazo-cemento, así como resultados obtenidos en pruebas experimentales .

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZüCAR

7 .1 ALGUNAS EXPERIENCIAS EN LA TECNOLOGIA DE PRODUCCION DE TABLEROS DE PARTICULAS BAGAZO-CEMENTO 7.1 .1 Desmeollado La operación de separación del meollo, es de vital importancia para esta tecnología, dada la necesidad de trabajar con materias primas con bajo contenido de azúcares . Se conoce, que en el tejido parenquimatoso se alojan una buena parte de los azúcares presentes en el bagazo, además de ser un material no apto para la producción de tableros. Con el uso de bagazo desmeollado (entre 20 y 30 % de separación), se obtuvieron muestras de buena calidad (Bison-Werke [RFA] ; ICIDCA [Cuba], 1976, 1981) . Esta operación debe ser estudiada, con detenimiento, a fin de lograr un esquema tecnológico óptimo para satisfacer los requerimientos de este sistema productivo, y al mismo tiempo, buscar su conjugación con el tipo de almacenamiento de bagazo que se vaya a emplear para el suministro de materia prima . 7.1 .2 Preparación de partículas. Clasificación Para el dimensionamiento de las partículas, pueden ser utilizados molinos de martillos, con los cuales se obtiene una buena preparación del material . Una vez molido el bagazo, se procede a su clasificación ; de esta manera, se separan las fracciones que se emplearán como material para la capa central y superficial del tablero . Se han obtenido buenos resultados, utilizando clasificación mecánica con tamices de 8 mm y 2 mm de abertura, empleando la fracción retenida entre 8 y 2 mm para la capa central y el que pasa por 2 mm para la capa superficial . El material mayor de 8 mm es remolido y clasificado nuevamente . 7.1 .3 Mezclado En esta operación, las partículas de bagazo se mezclan con el cemento y otros aditivos, según una formulación establecida . La mezcla se efectúa por separado para el material que se vaya a emplear en las capas superficial y central del tablero, en equipos adecuados para estos fines. Una formulación que ha brindado buenos resultados es : Relación bagazo-cemento : 1 :2,75 Sulfato de aluminio : 1 % de acuerdo con el cemento Silicato de sodio (40 %) : 3,5 % de acuerdo con el cemento Agua : Cantidad necesaria hasta lograr una mezcla con 40 - 45 % de humedad b.s .

297

7.1.4 Formación Consiste, en la distribución de la mezcla de bagazo, cemento, aditivos y agua, sobre platinas de metal, formando un colchón . Es muy importante, una formación uniforme del material para lograr un producto de buena calidad . El sistema de formación mecánico-neumático ha brindado resultados satisfactorios . 7 .1 .5 Prensado Una vez formado el colchón sobre las platinas, éste se somete a un proceso de prensado, mediante el cual el material es comprimido hasta el espesor deseado . Esta operación se efectúa en prensas hidráulicas . En la operación industrial, y a fin de hacer más productiva esta etapa, se colocan en la prensa varias platinas con colchones, una sobre otra y en un dispositivo especial (abrazadera de sujeción), a fin de mantener los tableros comprimidos, una vez concluido su prensado, durante el tiempo que dure su fraguado . 7 .1 .6 Endurecimiento A la salida de la prensa, los tableros, presionados por la abrazadera de sujeción, se someten a la acción de temperatura, entre 60 y 80'C, durante un tiempo de 6 a 8 h, para su endureci-

Fig . 153 Planta de paneles de madera-cemento.

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LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

miento . Esta operación se efectúa, industrialmente, en cámaras con calentamiento . Después de concluido el endurecimiento, son liberados los tableros de la abrazadera y, entonces pueden ser manipulados para el resto de las operacio-

nes (corte de los bordes, lijado de su superficie, etcétera .) . 7.1.7 Maduración y climatización Para lograr la terminación de los tableros, éstos son sometidos a un proceso de maduración,

ALMACENAMIENTO DE LA MADERA

CLASIFICACION

ADICION Y MEZCLA

CEMENTO Y

CON CEMENTO Y PRODUCTOS QUIMICOS

PRODUCTOS QUIMICOS E

CLIMATIZACION

Fig. 154 Diagrama de bloques de la tecnología de producción de paneles madera. cemento.

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

que consiste en su almacenamiento durante unos 20 d, con lo que culmina el proceso de endurecimiento . Además, y a fin de equilibrar y estabilizar la hum°dad final del producto, éste es climatizado bajo un régimen determinado de humedad y temperatura, con lo que culmina su proceso productivo (Figs. 153 y 154) . 7.1.8 Propiedades Como se ha mencionado anteriormente, la producción de paneles de bagazo-cemento a nivel industrial, aún no se ha desarrollado . Se han elaborado tableros de buena calidad a escala de planta piloto. Algunas de sus propiedades son: Densidad : 1 250 - 1 500 kg/m3 Espesor: 10 mm Resistencia a la flexión : 8,0 - 12,0 MPa Resistencia a la tracción perpendicular a la superficie : 0,3 - 0,4 MPa Dilatación del espesor por inmersión total en agua : 1,2 - 2,3 La solución de la tecnología de producción de tableros de partículas de bagazo-cemento y su implementación a escala industrial, puede representar una vía altamente ventajosa para dar respuestas a sistemas constructivos masivos de viviendas y a otras edificaciones, en países productores de azúcar de caña, que, por ende, cuentan con abundantes residuos de bagazo, por lo que está siendo estudiada con detenimiento en la actualidad. Si bien hasta el presente, la mayor cantidad de productos aglutinados con materiales inorgánicos son producidos en países desarrollados, las ventajas que estos paneles tienen, en lo referente a su poco complicada tecnología de producción, disponibilidad de materias primas, en casi todos los países, además de excelentes propiedades como material de construcción, hacen pensar en su rápida expansión a los países en desarrollo, toda vez que posibilitan soluciones masitas y a bajo costo, en la industria cons(ruciora .

299

aumentar entre 20 y 50 %, cuando aplica algún tipo de recubrimiento superficial. La aceptación y expansión de los productos aglomerados en el mercado, como sustituto de la madera natural, no han estado asociadas únicamente a la calidad del producto en sí mismo, sino también, en gran medida, con su presentación y, sobre todo, por la fidelidad de la imitación de la madera natural . En este sentido, se han logrado importantes avances en el aspecto visual y en la textura del material, lo que ha contribuido a atenuar el efecto sicológico causado por la sustituición. Los sistemas de recubrimiento se pueden clasificar en 2 grandes grupos, recubrimientos líquidos y recubrimientos sólidos . De éstos, los más ampliamente difundidos son los recubrimientos sólidos que han desplazado, rápidamente, a los primeros, a causa de su mejor apariencia estética y durabilidad, así como por los elevados índices de productividad que es posible alcanzar durante la fabricación . Otro factor que ha incidido, notablemente, es la extensa gama de diseños que se pueden obtener en los materiales sólidos, donde la industria poligráfica ha ocupado un importante lugar. La utilización de recubrimientos líquidos se basa en el empleo de pinturas, lacas y esmaltes, materiales pigmentados transparentes, que con la ayuda de algunos materiales auxiliares con-

8 Recubrimiento superficial de los tableros Las posibilidades de uso y decorativas de los productos aglomerados, se incrementan, de manera considerable, cuando sobre éstos se aplica un recubrimiento superficial, este incremento está asociado, directamente, con el tipo de recubrimiento que se emplee. Para un fabricante de tableros, la rentabilidad de su industria puede

Flg. 155

recubrimientos líquidos por cortina.

Línea de acabado de

300

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

forman cada uno un sistema completo de terminación . Los materiales auxiliares pueden ser selladores, primarios, endurecedores, etc. (Figura 155) . El método más difundido de utilización de estos recubrimientos, se basa en la aplicación de un sellador tapaporos, de poliéster insaturado, que se seca por luz ultravioleta, seguido de un acabado de laca pigmentada de nitrocelulosa, de esmalte catalizado al ácido o el más recientemente desarrollado a base de poliuretano . Estos sistemas presentan una baja productividad respecto a los recubrimientos sólidos o a causa de sus relativamente elevados tiempos de secado,

así como a la necesidad de manipular cada producto repetidas veces. Los sistemas de recubrimientos sólidos han sustituido, en grado considerable, a los descritos anteriormente a causa de su elevada productividad, la extraordinaria versatilidad de diseños obtenibles y su mayor durabilidad . Entre éstos existen 2 líneas de trabajo muy difundidas : las chapillas de madera natural y los materiales sintéticos (papeles impregnados con resinas de melamina o urea-formaldehído, láminas de cloruro de polivinilo []?VC], etc.) . IAdudablemente que la chapilla de madera natural ha sido el material de mayor aceptación,

Fig. 156 Línea para impregnation de papeles .

Fig. 157 Línea de recubrimiento de tableros con papeles impregnados o chapi-

llas de madera . Planta Camilo Cienfuegos, Cuba.

PRODUCTOS DE LA HIDRóLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

30 1

pero la poca disponibilidad de madera apropiada para su producción, ha limitado su uso (Figura 156) . Los materiales sintéticos han representado un importante papel para fines decorativos y en la fabricación de muebles, pero su uso se encuentra asociado a la existencia de una industria química capaz de organizar su producción . La comercialización de estos materiales se encuentra limitada por los cortos períodos de vida útil de los mismos (menos de 3 m), lo que le impide su transportación a grandes distancias, sin riesgo de deterioro total o parcial . Numerosos sistemas han sido desarrollados, los más utilizados son los laminados a base de resina melamina-formaldehído. Cada uno de estos sistemas posee su propia tecnología de elaboración y de aplicación ; la elección de éstos está en relación con las condiciones de cada país, de acuerdo con los usos específicos a que se destinen los productos con ellos elaborados (Fig . 157) . 9 Principales aplicaciones de los tableros Los tableros de partículas y de fibras son productos que, en general, no son materiales sustitutivos entre sí, sino que se complementan, en su utilización, en las industrias del mueble o de la construcción . Los tableros se utilizan para muchos de los fines a los que se destina la madera aserrada, como encofrados, revestimientos, carpintería de taller, accesorios y acabados en la construcción, muebles y envases . Los tableros de fibra se usan, principalmente, en la construcción como revestimiento para paredes, pisos y cielos rasos. En la actualidad, se suministran paneles de tableros de fibra duros como productos semielaborados, provistos de una película impermeable. También han hecho su entrada en el mercado, tableros especiales tales como losas acústicas y tableros para la decoración interior . El tablero de fibra duro, pintado, se emplea en sectores especializados como carrocerías, casetas, vallas anunciadoras, estructuras de exhibición, etcétera ; encuentra utilización, también, en la confección de piezas para revestimiento de muebles y paneles para la industria de transportes, en barcos, vagones de ferrocarril, ómnibus y automóviles (Fig . 158) . Un desarrollo reciente, pero de rápida extensión, lo constituye la producción de tableros de fibra de densidad media que pueden sustituir a los tableros de partículas, fundamentalmente, en la construcción de muebles. Una de las razones por las cuales ha tenido gran aceptación este producto es la lisura de su superficie, lo que lo hace ideal para someterlo a cualquier proceso de tratamiento superficial. Su desventaja, con

Fig, 158 A y B. Aplicación de tableros en muebles. respecto al tablero de partículas, consiste en poseer, actualmente, un costo de producción más elevado que aquél ; no obstante, esta situación puede cambiara causa del incremento que están experimentando los precios de los aglutinantes sintéticos que se emplean como materia prima en la fabricación de tableros de partículas . Los tableros de fibra de baja densidad (aislantes), encuentran aplicación como material acústico, en el revestimiento de techos o como aislante térmico en la industria de la construcción . Los tableros de partículas se utilizan, fundamentalmente, en las industrias de muebles y de construcción . En dependencia de la densidad de los diferentes tableros que se pueden producir, éstos se utilizan en la construcción de ele-

Fig. 159 A y B. Usos de tableros en construcción.

PRODUCTOS DE LA HIDROLISIS DE LOS DERIVADOS DE LA CAPA DE AZúCAR mentos estructurales de muebles, armarios o como paneles divisorios . Otros usos los constituyen la fabricación de diferentes tipos de envases o como material para encofrados en construcciones (Fig . 159 A y B) .

Recientemente, se han desarrollado tecnologías para la producción de tableros de partículas de espesores finos, los que, en algunos casos, se utilizan como recubrimientos de puertas y tabiques y en la confección de fondos de muebles y han logrado sustituir, parcialmente, a los tableros de fibra, aunque sin igualar sus propiedades . En 1974, fue puesta en funcionamiento la primera instalación para la producción industrial de tableros de madera-cemento . Estos paneles son empleados en la industria de la construcción como elementos prefabricados; muestran excelentes condiciones de impermeabilidad y resistencia a la acción de agentes exteriores, además de ser incombustibles .

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Capítulo XI LEVADURA FORRAJERA RAFAEL GÓ MEZ

1 Introducción Bajo la denominación de levaduras forrajeras se estudian las que se propagan, especialmente, para ser usadas en alimentación animal, con vistas a aprovechar los componentes nutricionales que la constituyen, sobre todo proteínas y vitaminas . Los géneros preferidos de levadura para su producción industrial son : Candida y Saecharomyces, mencionándoselas especies Candida utilis, C. pulcherrima, C. reukauffi, Saccharomyces cerevisiae, S. carlsbergensis y S. f ragilis . La elec-

ción de una cepa para que pueda ser desarrollada industrialmente debe considerar los siguientes factores : capacidad de asimilación, elevados rendimientos, alta velocidad de desarrollo, estabilidad bioquímica y de cultivo, fácil recuperación, valor nutricional elevado, sabor agradable y buena apariencia. La experiencia mundial ha probado la posibilidad de utilización de los licores sulfíticos, melazas, hidrolizados de madera y de residuos celulósicos, hidrocarburos, residuos de almidón, suero de leche, mieles cítricas, etc., como fuente de carbono para esta producción. De los microorganismos que se deben utilizar se ha mostrado favorecido el uso de la especie Candida utilis, ya no solamente por su capacidad en asimilar hexosas y pentosas, sino también otros compuestos orgánicos no azúcares, tales como ácidos, alcoholes y aldehídos. Sin embargo, no es exclusivamente levadura forrajera la producida en específico para esos fines, sino también se destina aquella que se obtiene como subproducto de otros procesos fermentativos, tales como la producción de alcohol etílico (levadura de destilería) y de la fabricación de cerveza (levadura de cerveza) . La levadura, en estos procesos, se le llama, en general, "levadura secundaria' y tiene un valor nutricional un poco más bajo que la que se propaga ; específicamente, para uso forrajero . La experiencia, en Cuba, en el desarrollo de esta producción es amplia . Con anterioridad al triunfo de la Revolución, se utilizaba como forraje levadura secundaria (de destilería y de cerveza), recuperada de estos procesos . Posteriormente, en el año 1965, comienza a producir la primera planta de levadura torula para la alimentación animal y a par-

tir de 1974 comenzó un proceso de contratación, recepción, montaje, pruebas de garantía y puesta en marcha de 10 nuevas plantas, con la asesoría técnica del ICIDCA, durante todo el trayecto de esta tarea inversionista . De éstas, 6 son de tecnología francesa y 4 de tecnología austriaca y presentan una capacidad de producción anual de 120 000 t. En el material presentado se hace una descripción detallada de la tecnología de producción de levadura forrajera, analizando cada etapa del proceso y discutiéndose los aspectos fundamentales de la producción a partir de mieles finales de caña, comentándose los elementos más importantes del equipamiento utilizado . 2 Levadura forrajera a partir de las mieles finales de caña En los países tropicales, poseedores de una amplia industria azucarera de caña, la producción de levadura forrajera, a partir de mieles finales, resulta particularmente atractiva, sobre todo si se tiene en cuenta la imposibilidad de contar con proteínas vegetales de bajo costo, tales como la soja, motivado por características climáticas. Es, además, una forma de independizarse de las variaciones del mercado exterior, en cuanto a la importación de materiales proteínicos adecuados para la producción de piensos . Estos factores, así como el de ser una producción localizada, de complejidad tecnológica media, que diversifica la industrialización de la caña de azúcar y, además, es una fuente de trabajo, la hacen recomendable para países en vías de desarrollo y fueron sobrepesados en la decisión de las inversiones realizadas para el desarrollo de esta producción en Cuba. La producción de levadura forrajera, a partir de mieles, se caracteriza por ser un proceso continuo en el cual la miel aporta carbohidratos como fuente de energía y factores de crecimiento en forma de vitaminas y minerales. Esta producción se efectúa mediante 5 unidades de proceso, básicas : 1 . Preparación de materias primas y auxiliares.

305

LEVADURA FORRAJERA

urea, como fuentes de nitrógeno y el fosfato diamónico, como fuente de fósforo, a la vez que suministra también parte del nitrógeno . En la ta-

2. Propagación de la levadura . 3. Separación o recuperación de la levadura . 4. Concentración y secado de la levadura .

TABLA 182

5. Envase, almacenamiento y manipulación .

Composición media de la miel final de caña cubana

2.1. MATERIAS PRIMAS Y AUXILIARES En esta producción se consideran como materias primas fundamentales la miel final y las sales nutrientes, aunque se utilizan otras en el proceso, que pudieran denominarse auxiliares, tales como agentes antiespumantes, ácidos o álcalis, productos de limpieza, de tratamiento de agua, combustible, lubricantes, etc. La melaza es un substrato que por su naturaleza -ya que contiene gran número de impurezas en forma coloidal y de suspensión, así como ácidos orgánicos volátiles y una flora microbiana elevada-, puede afectar el proceso de propagación de la levadura en aspectos fundamentales, como son el rendimiento y la calidad de la misma, así como a otros parámetros no menos importantes, en los fermentadores . Por las razones expuestas anteriormente esta materia prima debe ser sometida a un tratamiento previo antes de su utilización en los fermentadores como veremos con posterioridad . En la tabla 182 se muestra la composición media de la miel final de la caña cubana. Las sales nutrientes aportan al medio, para propagar las levaduras en los fermentadores, la mayor parte del nitrógeno y fósforo requeridos para el desarrollo del microorganismo, pues el contenido de estos elementos es deficitario en las mieles . Las empleadas en nuestra industria de levadura forrajera son el sulfato de amonio y la

'Brix

89,10

Materia seca gravimétrica

84,10 g/100 g

Sacarosa

35,53 g/100 g

Reductores totales

60,40 g/100 g

Reductores libres

23,00 g/100 g

Reductores infermentables

4,01 g/100 g

Acidez total

0,56 %

Acidez volátil

0,41

PH

5,7

Nitrógeno total

0,506 g/(00 g

Nitrógeno asimilable

0,201 g/100 g

P,O, total

0,123 glloo g

P,O, asimilable

0,079 g/100 g

Calcio

1,23 g/100 g

Magnegio

0,500 g/(00 g

Cenizas totales

9,57 g/100 g

Coloides

8,06 g/100 g

Fangos

8,00

Capacidad tope (buffer)

TABLA 183 Características principales requeridas en las sales nutrientes Sal

Nitrógeno

Fósforo (P,O5) Humedad

10 % (máx.)

Sulfato de amonio 19 % (inín.)

Urea

Sin sustancias tóxicas para la fermentación

5 % - 6 % (máx.) Sin sustancias

46 % (mín.)

Fosfato diam6nico 19 % (min.)

Grado técnica

tóxicas para la fermentación

49% (min.)

10%

(mix .)

Sin sustancias tóxicas para la fermentación

% v/v

64,93 g/x00 g

v

liq .o oK ri z

w Vd Úá~ .ó~

(;

á

ñ

S

é

á

á

á F

v w á

3

8

d v .3

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v Q. .N

LEVADURA FORRAJERA

bla 183 se exponen las características principales que deben tener estas materias primas, las cuales deben ser almacenadas y manipuladas de forma que no existan pérdidas cuantitativas y cualitativas considerables que puedan afectar los índices de insumo de las mismas por tonelada de levadura producida . 2.2 DESCRIPCION TECNOLOGICA, BALANCE DE MATERIALES Y DE ENERGIA

Nuestra industria de levadura forrajera cuenta, actualmente, con 2 tecnologías de producción, ambas a partir de mieles finales de caña como sustrato fundamental para el desarrollo del microorganismo y constituidas por las mismas unidades básicas de proceso y equipamiento especifico similar en lo fundamental . Lo que las diferencia como tales es el proceso de propagación, que en la tecnología austriaca está caracterizado por la utilización de fermentadores Vogelbusch, con sistema de aireación agitado de alta eficiencia, en los cuales se obtiene una concentración de levadura 3 veces mayor que en los equipos de la tecnología francesa, que son del tipo Lefrancoise con agitación por aire. Aquélla es denominada tecnología de alta concentración y ésta de baja concentración . También cabe señalar, que las plantas austriacas poseen un mayor nivel de automatización .

Por lo demás, los módulos de planta de una y otra tecnología son, inclusive, para la misma capacidad de producción y con índices de insumo de las materias primas fundamentales, así como índices de calidad prácticamente iguales . En la tabla 184 se exponen los índices de garantía para ambas tecnologías . La descripción que sigue se refiere a la tecnología autriaca por ser más completa, en general, y con más detalles de ingeniería básica para este proceso de producción ; se señalan las diferencias con la francesa, en los casos que valga la pena destacar. 22 .1 Secciones de proceso y de utilidades Para facilitar la descripción, consideraremos las distintas agrupaciones de equipos tecnológicos o secciones que conforman una instalación completa para la producción de levadura seca forrajera, dividida en 2 grandes grupos : las agrupaciones de equipos o secciones donde se realizan los procesos y operaciones que tienen que ver con las materias primas, así como el producto, las cuales llamaremos secciones de proceso y las que tienen que ver con los servicios auxiliares que demandan las anteriores que se llamarán secciones de servicios auxiliares . La figura 160 muestra un diagrama general de bloques del conjunto de ambos grupos de secciones. TALLER DE MANTENIMIENTO Y ALMACENES

H Fig.

160

Diagrama general de bloques de producción de levadura forMleM a partir de mieles de caga.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZüCAR

308

Las secciones de proceso comprenden : 1 . Almacenamiento, conducción ración de las mieles .

prepa-

y

2. Preparación de las sales nutrientes y productos auxiliares . 3.

Preparación del inóculo .

4.

Fermentación-desemulsión .

2.2 .1 .1

5 . Separación-lavado-recirculación . 6. Termólisis, ci6n.

concentración

por

evapora-

7. Secado y envase-almacenamiento . Las secciones de servicios auxiliares son : 8.

Laboratorio de control.

9.

Suministro de energía eléctrica .

10. Suministro de agua para consumo industrial. 11 . Tratamiento de agua. 12. Refrigeración y circuitos de enfriamiento. 13 .

Almacenamiento y circuito de fuel.

14. Producción de vapor . 15 .

de fermentación-desemulsión, los tanques de almacenamiento general y diario, la sección auxiliar de tratamiento de agua, en su mayor parte (descarbonatación del agua cruda), la estación de transformación, parte de la sección de secado y envase-almacenamiento (cámara de secado, horno, algunas bombas, ventiladores, etc .) y el sistema de enfriamiento, así como el tanque almacén de agua de pozo .

Estación de aire para instrumentación .

16. Estación de aire para fermentación . 17 . Estación de limpieza y desinfección. 18 .

Taller de mantenimiento y almacenes .

19 .

Sistema contra incendio .

Los equipos tecnológicos que conforman las anteriores secciones deben garantizar una operación continua, es decir, aquellos equipos fundamentales que pudieran interrumpir el flujo continuo, por operaciones de mantenimiento y limpieza, están duplicados, tienen su reserva instalada . Además, estas secciones o agrupaciones de equipos tecnológicos se encuentran ubicados, en su mayor parte, en áreas techadas tales como las de producción, equipos auxiliares, taller de mantenimiento y almacenes . Otra área techada es la constituida por el edificio socio-administrativo y el comedor . Los equipos instalados a la intemperie son los que constituyen la sección

ALMACENAMIENTO, CONDUCCIóN Y PREPARACIóN DE MIELES

La materia prima utilizada en esta sección es miel final de caña de 89 °Bx, aproximadamente, con una viscosidad que puede llegar hasta 100 000 cP y un contenido de azúcares reductores totales de 58 - 60 % . El objeto de la misma es el almacenamiento de la miel final, su predilución y calentamiento para la conducción hasta los tanques de diario de la planta, la dilución de la miel, clarificación, tratamiento térmico, enfriamiento y distribución hacia los fermentadores . Esta primera sección o agrupación de equipos tecnológicos comprende : 2.2 .1 .1 .1

Almacenamiento y estación de bombeo de mieles

Existen 2 alternativas de almacenamiento de las mieles . En el caso de las plantas que están ubicadas en el área de grandes centrales azucareros, con buena capacidad de almacenamiento, se utiliza la misma capacidad instalada y solamente se ha adicionado la estación de bombeo para conducir las mieles hasta los tanques de diario de la planta . En esta alternativa, si las plantas están muy distantes del central se ha instalado un tanque almacén intermedio con la estación de bombeo . En los casos de algunas plantas adjuntas a centrales pequeños, que no pueden abastecer el consumo anual de mieles requeridas para la producción de levadura, se han construido cisternas de recepción de mieles, junto con los tanques almacenes, esto posibilita recibir mieles de centrales tributarios de lá zona, mediante carros tanques de ferrocarril o por carretera . Para facilitar el bombeo de la miel desde los tanques de almacén hasta la planta es necesario reducir su viscosidad, lo cual se logra mediante 2 alternativas : calentamiento de la miel hasta unos 50 - 60'C, que es la alternativa que utiliza la tecnología francesa o mediante una predilución discreta para llevar al grado Brix de 89 - 90, hasta 80, que es la que emplea la tecnología austriaca. En este último sistema, las mieles, a la salida del tanque almacén, se filtran y se mezclan con condensados calientes, obtenidos en la evaporación de la crema de levadura, los cuales se adicionan mediante una bomba dosificadora, para efectuar la reducción señalada

LEVADURA FORRAJERA

en el grado Brix de la miel. Esta operación se realiza en un mezclador estático. 2.2 .1 .1 .2

Preparación de mieles

La miel diluida a 80 °Bx es recibida en los 2 tanques de diario, para almacenamiento de la miel en planta, en forma alternativa . Cada tanque tiene la capacidad requerida para 1 d de producción, de forma que cuando se esté llenando uno de ellos, se esté consumiendo miel del otro para la producción . Estos tanques están equipados con muestreador continuo que opera con bomba dosificadora, lo cual permite conocer la calidad de la miel que se va a utilizar cada día . A la salida de los tanques de diario, la miel es filtrada y bombeada hasta el tanque pesa, en porciones de 8 t. La miel pesada es descargada en un tanque intermedio, desde donde se descarga, por gravedad, al tanque de dilución, al cual se le adiciona agua en forma automática,

para llevar el contenido de sólidos totales de la miel hasta aproximadamente 43 °Bx . Este sistema de control de densidad opera de la siguiente manera: mediante una bomba se toma un flujo de 3 m3/h, desde el fondo del tanque de dilución, que es enviado a través de un filtro al equipo donde se controla la densidad de la miel mediante la regulación automática del flujo de agua. La miel que pasa por el densímetro es retornada de nuevo al .tanque de dilución, este ciclo se mantiene de forma continua. La miel diluida es transferida, continuamente, por un vaso comunicante a un tanque donde se s inyecta vapor para elevar la temperatura . En este tanque la miel de 43 °Bx se mantiene a 80'C, aproximadamente, y de aquí es filtrada y bombeada hasta la estación de clarificación . Esta estación está constituida por 3 clarificadoras centrífugas, en 2 de las cuales se efectúa la separación mecánica y automática de los fangos que contiene la miel, mediante la fuerza centrífuga. Los fangos obtenidos en estos 2 equipos

Fig. 161 Influencia de la temperatura sobre el tanto por ciento de sobrevivisntes de miel diluida 1 : 1, para dos valores de pH.

310

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

son descargados en un tanque, donde se diluyen con agua para posteriormente filtrarse y bombearse a la tercera clarificadora, cuya función es recuperar los azúcares contenidos en el fango. A partir de esta clarificadora las aguas dulces recuperadas se aprovechan, retornándolas al tanque de dilución de mieles, el fango libre de azúcares pasa a un tanque donde se diluye con agua y se envía a la zanja. La estación de clarificación está diseñada de forma que se puedan utilizar, indistintamente, los 3 equipos para ambas funciones, es decir, 2 cualesquiera de ellos, para clarificar mieles y el tercero para recuperar las pérdidas de azúcares en fango. Además, la operación es automática, las descargas de fango se fijan a un intervalo de tiempo, de acuerdo con el contenido de fango en las mieles crudas . La miel diluida y clarificada es transferida por un vaso comunicante a un tanqur, de almacenamiento intermedio, de donde es bombeada al inyector de vapor con un flujo controlado . Este inyector es alimentado, también, con vapor vivo de 2 at absolutas de presión por medio de un sistema de control que opera en función de la temperatura de salida de la mezcla. La miel calentada hasta una temperatura de 110 - 120 4 C, pasa por una cámara de retención para completar el proceso de esterilización (Fi-

PREDI~ LA

MIEL PREOILUIDA 0=18,5 t/h B,=80° CONDENSADO PE=02 T=40AC 15WI14

MIEL

gura 161), desde aquí la miel es descargada a la torre de expansión, donde la temperatura de la miel baja a 85'C, aquí ocurre la condensación de los vapores (1000 - 1 100 kglh), en un condensador de contacto directo, al cual llega un flujo de agua de 15,6 m3 /h, desde la torre de enfriamiento pequeña . En el condensador se mantiene un vacío de 0,3 - 0,4 atm, mediante una bomba de vacío, la cual mantiene, automáticamente, la temperatura de la miel en la torre de expansión . La miel diluida, clarificada, esterilizada y libre de ácidos volátiles, es tomada del fondo de esta torre y Bombeada, a través de intercambiadores de placa donde se enfría a 35 - 40 4C, hasta el tanque de miel preparada donde se distribuye, por gravedad, y con medidores de flujo hasta los fermentadores . La diferencia fundamental de esta sección, con su homóloga en la tecnología francesa, estriba en que en ésta, la estación de clarificación solamente está constituida por 1 equipo, es decir, durante la limpieza manual del mismo, la miel continúa por una derivación sin clarificarse . Además, el sistema de recuperación de las pérdidas en fango es menos eficiente . En la tecnología austriaca no existe derivador de la estación de clarificación, o sea, es obligatoria la clarificación continua de las mieles. En ambas tecnologías, todos los equipos que garantizan la con-

DOS TANQUES CE BARIO PARA MIELES V=wm°'A J-5720 ..

MIEL

h=6700 ..

T=50^C PE-100 N=1CP H=4-5

CISTERNA DE RECEP- I I I I CqN DE MIELES DE I I TRIBUTARIOS Y EST I I OE BOhHO AUXILIAR

CLARIFICACION DE MIELES Y RECUPERACION DE AZUCARES DE LOS FANGOS

0=12rd/h T=80°C ART-2U7- S20q/I IDOOVq/h T=85°C

d=l40mm 1-IID6mm

V=0,453 .1 1 4250mm h=550 mm

0=13 IM/fl T=u0°C N" 6 CP

PE= 1,022

MEL DILUIDA 0=13J4mIVIn T=00°C PE= 1,19 N=S W a"43°

IA MIEL

0" 3m/h T= 80°C

MIEL

DE

MIEL

PREDILUIDA

0-7,31/h PE "~42 01ma=7,5m° 4 T=°C 0n=4,5 m' Q=400hy/h T=80°C T" 140°C VAPOR DEPOSTO DEI

AGUG W1-II T=75-60°C

EXPANSION V=080 d=700 .. T" 85 0C P_0,34TA

e=1BOO .. 1=3580mm HORIZONTAL

TANQUE INTERMEDIO DILUCION Y PRE CALENTAMIENTO

FANGO Q=0,2-0,4 .'/h T=95° 800=35 m4/1

TORRE DE MIEL DIU. CLARIF. Y ESTER.

T..II=h°C

TANQUE PESA OE MIELES V= 8,5 m'

81 DE MIEL POR BATCH DISCONT

AGUAS DULCES Omm=35"Yh 0=3m'/h

MIEL DILUIDA Y CLARIFICADA

ESTERILIZACCN DE LAS MIELES EYECTORES CAMARA RE

PREDWIDA

O.nn=171/h 0=8 1/.~ T=40 00 B."BD° PE=1,42 N "5000CP

PREDILUIDA N 12,5 m~ d=1800 mm 1=5I80(NCRIZ)

=S00 E8/h =140°C

0=10,5 t/h T=72°C INTERCAMBADORES PLACAS PARA EL

_MIEL DIU. CLARE ESTER

ENFRIAMIENTO DE LA MIEL

0=12 .Yh(14t/h)

ATN=26/72°C

T=@5 °C

ATm=85/40°C

MIEL CIL. C1AMF ESTER ENFRIADA . 0-12 .Yh T=40 0C

TANQUE ALMACEN DE MIEL PREPARADA V=I2,w

MIFI PRFPAR 0=12 mYh J-2000mm(~ 7+40°C N=4-6 CP 1=4100 .. PE : ' 19

AGUA :,0 0 51/h T=26 °C A FERMENTACION

Fig. 162 Diagrama de bloques de la sección de almácenamiento, conducción y preparación de mieles.

LEVADURA FORRAJERA

y el fósforo, como elemento esencial en los compuestos de alta energía, necesarios para el metabolismo . El suministro de estos elementos se realiza, en esta tecnología, mediante 3 fuentes : sulfato de amonio, fosfato diamónico y urea. Dos tanques provistos de agitadores son utilizados para efectuar la_ preparación de las 3 sales. Se adiciona, primeramente, una cantidad determinada de agua al tanque donde se va a preparar la solución y se pone en marcha el agitador ; posteriormente, una porción pesada de sal es introducida al tanque mediante un elevador de cangilones . Una vez efectuada la carga de toda la sal se continúa la agitación durante corto tiempo y después se deja sedimentar por espacio de 2 ó 3 h o si es posible un mayor tiempo . El sistema completo, además de los 2 tanques disolvedores, consta de un tanque almacén-sedimentador, que se utiliza, preferentemente, para la solución de sulfato de amonio, por ser la sal de más difícil sedimentación, aunque se puede utilizar también, para el fosfato o la urea . Las soluciones de cada sal, una vez terminado el período de sedimentación, son filtradas y bombeadas a sus respectivos tanques de alimenta-

tinuidad del flujo de producción están instalados por duplicado, es decir, uno en operación y otro en reserva. La figura 162 muestra el diagrama de bloques de esta sección o agrupación de equipos tecnológicos . En el mismo se señala al balance de materiales, así como las capacidades y dimensiones de algunos equipos. 2.2.1 .2

PREPARACIóN DE LAS SALES NUTRIENTES Y PRODUCTOS AUXILIARES

El objeto de esta sección es la preparación de las sales nutrientes, así como de los productos auxiliares utilizados en el proceso de producción. Preparación de sales nutrientes

2.2.1.2.1

Es necesario la suplementación del medio de fermentación con nitrógeno y fósforo, pues el contenido de ellos, en la miel, no es suficiente para el desarrollo del microorganismo (levadura) . Se requiere el nitrógeno, fundamentalmente, como elemento básico en la formación de los aminoácidos, constituyentes de las proteínas,

TABLA 185

fósforo en las soluciones Proporciones de sal y agua utilizadas y concentraciones obtenidas de sal, nitrógeno y Solución (1)

Conc. sal (g/1)

Conc. N (g/1)

kg

Agua (1)

3600

10 200

12000

300

60

(20 4b N 50 % P20s)

3000

8500

10000

300

60

Urea (46 06 N)

3000

9140

11500

261

120

Sal disponible Sulfato de amonio (20 45 N) Fosfato diamónico

Conc. P (&9)

150

TABLA 186

Balance de N y P, sobre la base de los requerimientos por levadura y el suministrado en mieles y sales

Componente

Contenido en 1 t,

de levadura seca

Asimilable suministrado Déficit que se debe suministrar por 3,93 t de miel a mediante las soluciones 60,4 % reductores de sales x 1,25 totales

N

80

kg

(min).

7,90

kg

90 kg

P2O5

34

kg

(min.)

3,10

kg

39

kg

31 2

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

TABLA 186 (Cont .) Medio o producto

Determinación

Reactor de cal

Dureza pH Determinación de los valores (fenolftaleína) "m" (metilnaranja) Filtración

Intervalo de tiempo

Cada 2 h Cada 6 h

Intercambiadores idnicos

Dureza Cloruro

Cada 2 h

Agua de alimentación a la caldera

Dureza Valor "p"

Cada 2 h

Agua de caldera

Valor "p" pH P205

Condensado

Dureza pH

ción, de donde pasan, por gravedad, a los fermentadores, a través de medidores de flujo del tipo rotámetro . La tabla 185 muestra las proporciones de sal y agua utilizadas, así como las concen'raciones de N y P para cada solución. La dosificación de ellas se realiza mediante un balance de esos elementos, de acuerdo con los requerimientos de la levadura y el aportado por la miel. La tabla 186 muestra, a modo ilustrativo, la cantidad de N y -P que hay que suministrar para la obtención de 1 t de levadura seca, tomando como base los índices de garantía y composición de la miel expuestos, respectivamente, en las tablas 182 y 184. La relación de dosificación de las soluciones de sulfato de amonio y urea puede ser cambiada en función del pH que se quiere mantener en fermentación, siempre que permanezca constante la cantidad de N que deben suministrar ambas sales. Este método de controlar el pH en los fermentadores, es más económico y eficiente que la utilización de ácido o base, los cuales se deben emplear, solamente, en casos en que el control con las soluciones de sales mencionadas, no sea posible . 22 .1 .2 .2

Antiespumante

Este producto se utiliza para controlar la espuma en los fermentadores y en el tanque de desemulsión . El antiespumante es almacenado en un tanque, desde donde es bombeado, una vez

Cada 2 h Cada 2 h

por día, al tanque de preparación. En el caso del Glanapón 2 000 FKW, que es el agente antiespumante recomendado para esta tecnología, se mezcla 1 volumen del mismo con 1 volumen de agua y se mantiene la mezcla, permanentemente agitada con aire. Desde este tanque el antiespumante es filtrado y bombeado a los fermentadores y al tanque de desemulsión . 2.2 .1 .2 .3

Acido sulfúrico

Puede ser utilizado para desinfección a bajo pH, eventualmente, pára regular el pH de las mieles, para hacer más efectivo el tratamiento térmico, para controlar el pH en la sección de preparación del inóculo y, excepcionalmente, para corregir el pH de los fermentadores . Para la recepción del ácido sulfúrico concentrado se emplea un tanque de acero al carbono desde donde es transportádo, mediante una bomba especial colocada encima del mismo, hasta el tanque alimentador . En un tanque disolutor, primero, se adicionan 1 700 l, aproximadamente, de agua de proceso (1500 mm de altura en el nivel), se agita con aire y se adicionan, lentamente, desde el tanque alimentador 100 l de ácido sulfúrico . El sistema trabaja automáticamente, de manera que la relación de mezcla de agua y ácido puede ser prefijada al valor deseado . Además, está previsto un sistema de seguridad que no permite la adición de ácido al tanque disolutor

31 3

LEVADURA FORRAJERA 3 TANQUES OE ALIMENTACION A LOS FERMENTADORES V=125 m. c/u

AGUA

d- 2000 .m (HORIZ) 1=4 160m . W=1 .4201

TANQUE DE OILUCION V=2 .2 m° d-1 200 mm bQ170mm mal-ST 37 VERTICAL

TANQUE ALIMENTADOR ANTIESPUMANTE DILUIDO 1 :1 Qmm-1 .Yh 0=10-30 I/h

V=0.38 m° d= 800 .m 1-1 320 .. mal-ST 37

a

sIó

ó

ÑIO AGUA

1 17 OOie r F .D Omaa550 I/h cox--6Oa/IN . 1504/I No.

E

éN É b

Iw

AIRE I 0 m'/h

TANQUE DISOLUTO . V-1 .9 m° &1200 mm h-1 BOO mm ~=P.P

P-4mwc

SO.H . (DILUIDO)

Ch V--16m° 2 TANQUES D1so.1 d2600mm AGITADOS Jh=2960 .. mat-1 4301 I ELEVADOR DE CANGILONES

S .A.

1 TANQUE ALMACEN SEDIMENTADO. PARA SULFATO DE AMOMO

a0Pac=IOt/h c~94 V=0 .5 m/s

S .A^3600110/eorpa 12 000 I/ca 9a -2 .0carpo/a

ED-3 000h9/c"o 10 000 I/cmo -1 .5aorgo/d

PREPARACIÓN DE

V=16m° d 2 600 . . h=2960mm mat-1 4301

TANQUE ALMACEN ANrESPUMANTE V=275ma d-2500 . . 13800 . . mat-ST 37

LLANA . FKW2000 P. H-7 PE=0 .95 N =10 CP

TANQUE ALN4ICEN DE ACIDO SULFÚRICO CONC. V .Iz6 m° d-2000.. 1=4200 .. .&-ST 37

SO, H . PE-1.114 co 96%

UREA-30001,C/cargo 11 500 1/copo .y 1 .5 copo/d

SALES

ANTIESPUMANTE

ACIDO SULFÚRICO

Fig. 163 Diagrama de bloques de la sección de preparación de sales nutrientes y productos auxiliares.

en el caso que éste se encuentre vacío o cuando el aire para la mezcla no se suministre . En la figura 163 se muestra un diagrama de bloques de esta sección o agrupación de equipos tecnológicos donde se señalan algunas capacidades de equipos, así como el balance de materiales . 2.2 .1 .3 2.2 .1 .3 .1

PREPARACION DEL INOCULO Etapas de laboratorio y propagador de cultivo puro

Para iniciar la fermentación se parte de un cultivo puro de laboratorio, el cual se pasa al propagador o fermentador de cultivo puro que tiene un volumen total de 1 m3, para un volumen útil de trabajo de 800 1. La figura 164 muestra un esquema de los pasos o etapas previas en el laboratorio y la figura 165 un esquema de propagador . El medio de cultivo, para este equipo, se pre para con miel diluida de aproximadamente 40°Bx a la que se adiciona agua, sales nutrientes y se le regula el pH, mediante ácido sulfúrico

concentrado . El medio así preparado (800 1) tendrá alrededor de 12 °Bx y un pH de 4,0 . Antes de la inoculación mediante el frasco Carlsberg de laboratorio (Fig. 164), el medio, en el fermentador de cultivo puro, se esteriliza hasta una temperatura de 95'C, enfriándose luego hasta 35T . Durante la fermentación no se hacen nuevas adiciones de miel y nutrientes . El tiempo de fermentación será alrededor de 20 - 24 h, en dependencia de la cantidad y calidad del inóculo . La temperatura de fermentación comenzará a subir después de algunas horas, por lo que será necesario aplicar enfriamiento por agua, a través de la camisa del pro_ pagador para mantenerla, aproximadamente, a unos 30°C . Después de 8 h de fermentación se comienza el control de la temperatura, el pH y el grado Brix; cada 2 h se realiza el control y se ajusta la temperatura al valor mencionado anteriormente y el pH a un valor entre 3,5 - 4,0 . La fermentación se dará por terminada cuando el mosto fermentado quede agotado, es decir, cuando el grado Brix no descienda más y quede constante. En este momento, el mosto del fermenta-

CEPAS PURAS QUE HAY QUE RENOVAR EN MEDIO SOLIDO, CADA 2 MESES (SE ALMACENAN A .4T) FRASCO CARLSBERG

FRASCO CARLSBERG

FERMENTADOR DE CULTtv0 PURO

BL

INOCULACION CON FRASCO CARLSBERG

24 h 30-32 cC

24 h 30-32 'C

24 h 30-32 OC

Fig. 164 Etapas de laboratorio desde las cepas puras en cuñas de sustrato sólido hasta el frasco Carlsberg e inoculación del fermentador de cultivo puro.

17

16

15

14

F0SFAT0 1,5 kg SULFAN 1,5 k0 UREA 1,5 k0 Hz SUUCOY

O N

U

e

0 r4

S

g

.ú

g

w

8 Ñ

b

Ñ

O b m

O N

G

O

ó

w b S

. q

.á

é

8 g

Ñ a

O N .Nr

O O

b 1ia U b b

O

Ñ

ó

Ñ Ñ

316

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

dor de cultivo puro debe ser pasado al prefermentador . 22 .13 .2

Prefermentaci6n

En el prefermentador se realiza una fermentación discontinua (batch) con alimentación de soluciones nutrientes . La inoculación se puede realizar mediante 2 alternativas : 1 . Con el mosto fermentado de propagador de cultivo puro. 2. Con crema del proceso principal de fermentación, escogida de un fermentador, donde el cultivo tenga buenas condiciones morfológicas y fisiológicas . Con esta crema se llena un balón de 6 1 y se mantiene en refrigeración a 4 *C . Para ambos casos, en la tabla 187 se expone, a manera ilustrativa, la alimentación suministrada al prefermentador, así como el tiempo de fermentación . El mosto agotado que se obtiene, en esta etapa, rinde entre 200 - 300 kg de levadura seca y es suficiente para inocular uno de los fermentadores principales . 2.2 .1 .4

FERMENTACION-DESEMULSION 2.2 .1 .4 .1

Generalidades

Esta operación es la principal del proceso, la calidad del producto, así como la eficiencia en la asimilación del sustrato dependerán, fun-

damentalmente, del curso exitoso de esta operación . El proceso de producción de levadura es aeróbico y exergónico, por lo tanto, se hace necesario el suministrar grandes volúmenes de aire, así como disponer de algún sistema de evacuación de calor, para mantener temperaturas adecuadas para el proceso . La ecuación empírica que puede representar la formación de levadura es la siguiente, de acuerdo con Harrison : 200 9 100,0 materia ,iN H =

C,20 H22 + 10,4 g NH3 + 102,5 g 02 g materia seca levadura (incluye 9,5 g inorgánica) + 145,2 g COZ + 77,2 g H2O - 353 kcal.

Lo cual escrito en formulación molar balanceada sería : 0,585 C120111122 + 0,612 NH ? + 3,20 02 ~C3,t20,,952 He,123 NO,B12 + 3,3 CO 2 + 4,289 H2 0 0 H = 0,11 kcal/mm 02. Donde el calor desprendido por la reacción se ha tomado, de acuerdo con el índice de C. Cooney y colaboradores, de 3,44 kcal/g 02 consumido. Sin embargo, el balance presentado, respecto a la conversión de azúcar en masa biológica (50 %), puede ser sustancialmente afectado por las condiciones en que se efectúe la fermentación, así como por las características de la cepa utilizada . Esta conversión, que es lo que se denomina rendimiento en el proceso de producción de masa biológica (levadura forrajera, en

Y

o YvaT Y va pH

52-

40-

pH

ac

Fig. 166

3,5

4,5

29

33

5,5 37

Comportamiento del rendimiento con la temperatura y el cultivo de Candida utilis.

pa,

para el

LEVADURA FORRAJERA

1,0 0,1

Fig. 167

31 7

2,0

o,i

4~,0 0,7

a=0e c° M - R~, CH20CH2CH20H

(10)

El número de hidroxilos primarios también permanece sin cambio alguno, cuando el crecimiento de la cadena tiene lugar: R~,CH20CH2CH20H + CH 2 CH20 --i - Rce, - CH20CH2CH2 OCH 2CH 2 0H

(11)

El hidroxietilcelulosa es obtenido sólo en relativamente bajos niveles de sustitución. El producto con una sustitución molar (M.S.) 0,50 o más alto es soluble en agua ; aquéllos con M.S. 0,05-0,4 son solubles en soluciones alcalinas acuosas y los más bajos sustituidos sólo son solubles con la congelación. El tratamiento ulterior a que se somete la masa puede variar en dependencia de qué proceso y a qué uso se le desea dirigir (Fig. 231) . La viscosidad de las soluciones de hidroxietilcelulosa soluble en agua, es disminuida con áci. dos fuertes diluidos y con ácido fórmico con. centrado . El álcali causa la más baja disminu. ción con referencia a la viscosidad.

Estructura del hidrosieta cdatosa.

QUIMICA DE LA CELULOSA

41 9

El hidroxietilcelulosa soluble en agua es compatible en solución con: el almidón y derivados de éste, gelatina, gomas naturales (pegamentos) y con la NaCMC, pero es sólo parcialmente compatible con el metilcelulosa y el alcohol polivinilo. Sus soluciones acuosas toleran iguales partes, en peso, de alcoholes solubles en agua y mucho más grandes cantidades de compuestos polihidroxi, ácidos carboxilicos, aldehídos y aminas sin gelatinización . Las concentraciones bajas de ésteres solubles en agua y de cetonas tienen el efecto de precipitadores . De las sales comunes, solamente las de sulfatos afectan la estabilidad de la solución y solamente la de sulfato de aluminio tiene en él un efecto precipitante . La adición de pequeñas cantidades de hidroxietilcelulosa de M .S . 0,3 a 0,4 a derivados convencionales, confiere a éstos ciertas propiedades inusuales; por ejemplo, la precipitación de sales en el metilcelulosa es reducido, la tolerancia del etilcelulosa altamente sustituido por los solventes alifáticos es aumentada. 2.3.3 Meíileelulosa El metilcelulosa es obtenido a partir del álcali celulosa que contiene limitada cantidad de hidróxido de sodio . El período de envejecimiento varía, comenzando desde algunos segundos hasta cierto número de minutos. La reacción de eterificación en este caso es : R~i (OH) 3

- 3

NaOH +

2

CH3CH2C1 ---~

R~ (OH)(OCH2CH3) 2 + NaOH +

2

+ 2

NaCl +

H2 0

(12)

El número de moles que reacciona varia con el grado de sustitución y con la distribución del sustituyente . La velocidad de la reacción decrece con el aumento de la concentración de agua en el medio y con la disminución de la concentración de hidróxido de sodio . La reacción paralela, por la que se produce un compuesto secundario es: CH 3 CH2C1 + NaOH ~ CH 3 CH20H + NaCI

(13)

La velocidad de ésta es proporcional a la concentración de hidróxido de sodio y además: CH30420H + CHa CH2C1 + NaOH --~ CHaCH2 0CH2CH3 + NaCI + H2O

(14)

la extensión de la cual es proporcional a la concentración de etanol y al período de tiempo de reacción. Esta última reacción es rápida si se añade alcohol, por otra parte, como se pro-

duce alcohol (en la reacción 13), será necesario al principio, pero después la velocidad aumentará, por el motivo antes señalado. Las soluciones de metilcelulosa son preparadas humedeciendo el polvo sobre la base de escamas con agua a 75-80°C y entonces añadiendo el agua suficiente, mientras se refresca y se agita (Fig . 232) .

$000 4 000 5 000 2 000

a
a

C> A Y=z40

Flg. 235 Ca~ aetr~ de nn dcr~ con tpioles ~ de swsNtwclón y diff~es so&rbUtdades .

424

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

En el caso particular de Cuba, se tiene la materia prima para la producción de pulpas, como un potencial anualmente renovable, en el caso del bagazo, sería pues, ya más fácil encontrar las vías cómo convertir esas pulpas en productos útiles, en la actualidad, algunas de éstas ya están perfectamente identificadas y a punto de expresarlas en escalas mayores de producción . 3.1. PRODUCCION DE POLVO DE CELULOSA Mediante el estudio de la estructura de las fibras celulósicas se ha podido determinar que existen en éstas, zonas bien defin'-das de ordenada orientación de sus células componentes y partes también notables de grupos celulares de gran dispersión y poco ordenamiento ; a las primeras partes se les llama tejido cristalino y a las segundas,, tejido amorfo. Las partes del tejido celulósico que poseen mayor accesibilidad, son las formadas por tejido amorfo, por lo que se deduce sean éstas las zonas de más rápido y fácil acceso a los reactivos ; por el contrario, el tejido cristalino es atacable, en menor escala, si se usa el mismo régimen con el cual fue accesible el tejido amorfo y si se

desea una buena velocidad de reacción es necesario someterlo a régimen más severo de reacción (Fig. 236) . Cuando se ataca el tejido celulósico con reactivos adecuados, esto es : en el caso de la realización de la hidrólisis moderada, puede ocurrir la parcial disolución de las zonas de ordenamiento caótico (amorfas) y dar lugar al fenómeno de reordenamiento cristálino en todas sus etapas, comenzando por : 1) la simple disolución de las regiones claramente amorfas ; 2) deslizamiento de las partes de las regiones cristalinas más cercanas a estos puntos; 3) reordenamiento cristalino de las regiones de transición, que anteriormente al tratamiento se consideraban no cristalinas y 4) organización estructural entre las partes cristalinas más cercanas a las regiones anteriormente amorfas o de transición y las regiones de transición o inminentemente más cristalinas que amorfas, que han sido , reordenadas estructuralmente, por acción de la hidrólisis parcial . Sobre la base de lo explicado anteriormente, es pues de suponer que del material celulósico, al ser tratado bajo determinadas condiciones de hidrólisis asegurando que ésta fuese de carácter

A

Fig. 236 Diferentes tipos de tejidos celulósicos. A. Estructura cristalina, D. (X) Región amorfa en el material celulósico (Y), región de carácter de transmisión (Z), región de ordenamiento cristalino,

QUIMICA

DE

LA

425

CELULOSA

benigno, se puede obtener un residuo hidrolítico en el cual se puede apreciar algún tipo de característica, como: cristalinidad, fragmentación, esto es, partículas cristalinas de carácter incipiente, que son un producto del desarrollo no completo a otros niveles de las formaciones cristalinas jóvenes . El tratamiento de la celulosa, consiste en una hidrólisis parcial heterogénea, en la cual se han aprovechado las características del proceso de etanólisis en condiciones moderadas sobre el material celulósico . 3.1.1 Método de obtención de los mierocristales

TABLA 236

Condiciones de la hidrólisis Coneen- Contenido tración alcohol

(N)

A

1230

Pentosanas (%)

88,4

92,0

88,9

89,4

87,5

99,0

5,0

Solo

94,5

93,6

91,1

50,0

89,4

92,6

90,7

90,0

92,3

89,8

80.0

94,4

92,5

88,0

50,0

94,3

80,2

91,7

98,5

94,2

91,7

solo

95,4

93,7

92,1

50,0

90,0

91,5

90,2

92,5

91,7

89,6

93,5

8915

87,0

86,4

88,4

92,0

84,2

90,0

65,0

65,0

B

1295

3,7

3,1

a-celulosa (%)

92,6

94,3

Brillantez (%)

84,3

85p

Cenizas (%)

0,23

Extractivos (%) (en dicloroetano)

G .P .:

35

10 :1

15 :1

10 :1

'45

6,5

G.P. (en Cadoxeno)

Solubilidad en NaOH

25

65,0

TABLA 235

Muestras

(%)

50,0

En la consecución del producto, se ha tomado como materia prima celulosa a partir del bagazo obtenido por el método de cocción digestión-nítrica, cuyas características promedio se muestran en la tabla 235 .

Características

Rendimiento del producto (%) con mantención de la reacción Hidromódulo (min)

18,0%

(%)

0,28 3,1

65,0

15 :1

80,0

Solo

0,21 0,30

65,0

2,7

80,0

90,9

80,2

91,8

50A

88,9

90,0

89,2

89,1

89,3

89,9

90,3

91,1

88,0

grado de pol~zadón.

La celulosa convenientemente desmenuzada, es tratada con la solución hidrolizante con adiciones de alcohol etílico, teniendo en cuenta que la relación materia seca-líquido fue de: 1 :10 y 1 :15 . Los tiempos de mantención de la hidrólisis fueron de 25, 35 y 45 min. El producto así obtenido, celulosa pulverizada, se le somete a tratamientos de acondicionamiento, purificación y secado . Los resultados expresados en rendimiento, en dependencia del régimen usado, se muestran en la tabla 236 . La distribución de longitudes de partículas cristalinas contra el tanto por ciento de éstas en cada fracción, es otro de los aspectos que figuran dentro de la problemática de esta investigación (Figs . 237 a 239) . Los valores de las curvas mostradas han sido obtenidos mediante mediciones y observaciones

10 :1

8,0

65,0 80,0

15:1

al microscopio, estas curvas presentan muchos picos y también espacios vacíos lo cual demuestra que existen fracciones predotginantes, mientras que otras, prácticamente, están ausentes . Las clasificaciones de las muestras se llevaron a efecto empleando un equipo tamizador vibratorio, el tratamiento de las muestras dio como resultado la distribución del tanto por ciento en peso de dicha fracción, en función del calibre del tamiz en cuestión (Figs. 240 a 242) . A partir de los resultados de las clasificaciones mencionadas, se instrumentó un método de conversión de estos valores (a los que se les ha nombrado

NENwM000LO 10 :1 TEMPo-I5 fkL

ETANOL-00% NCl-6,a N

3W

0

a

1

a

3

L«QNad a. or1 1% Wm .1Oh

Fig. 737 Longitud contra tanto por ciento de partículas cristalinas. NNMOMOOULO 10 .1 TEMPO-35 ode

ETANOL 65 % NCL-6A N

Cc~ do ám"oala (%)

30

0

1

z

3

a

Lagilua ea vístalos (tam. 10)

Fig. 238 Longitud contra tanto por ciento de partículas cristalinas.

427

OUIMICA DE LA CELULOSA VueRO^Lo lo : 1 T~45~

rn NOL - 00% "CL 5A w

c4ne4e e4 aakwa (%)

4

LWOW 4. Crbaw

tum.ah

Fig. 239 Longitud contra tanto por ciento de partículas cristalinas. P), a otro de carácter adimensional A', de esta forma, se lleva el peso de la fracción distribuida de tamaño de partículas a cantidad de ellas, tomando en consideración la configuración, en general, de cada una de las mismas, como una esfera de determinado diámetro, lo cual se hizo con el objeto de obtener gráficos en los cuales las curvas de distribución fuesen más asequibles, aunque los valores aquí resultantes de esta operación son comparativamente similares a los obtenidos en la distribución en peso. Para poder realizar las conversiones planteadas, fue preciso auxiliarse de la ecuación siguiente :

donde : A' : Magnitud adimensional que representa el número de partículas de una fracción, considerando cada una de éstas como una esfe ra. En esta magnitud está incluido el error mínimo que puede surgir por la omisión del factor en el volumen de la esfera . P: Peso de cada fracción de determinado tamaño, tomando este último del valor del tamiz anterior en el que se encuentran las mismas depositadas .

D: Representación individual de la partícula, mediante la cual la suponemos como una figura esférica . Esta expresión lleva implí cito los siguientes aspectos de los cuales ella estará en función que son : a) Forma geométrica de cada partícula. b) Peso especifico de cada una de ellas . c) Diámetro de cada partícula . Es interesante observar el número y lugar de los máximos dentro de la curva de distribución de las partículas, de acuerdo con el número y peso de las fracciones, ello está representado en la tabla 237 . Con referencia a la tabla 241, en la primera columna de la misma, se muestran todos los máximos obtenidos en cada fracción, para todas las curvas de distribución, calculadas sobre la base del número determinado de partículas. Es interesante observar la acumulación de máximos en la primera, tercera y cuarta fracciones, aunque se debe señalar que es probable que en la primera fracción estén incluidos aún más máximos, a causa de la anchura que posee esta última columna, que es, aproximadamente, el doble de las otras fracciones . En esta misma

IMo C4 b f,solm l%)

1,s

5,2

4,6

e;4 - -8,0

s,s

u;z

lz ;s

14,4

oünmo 4o V mt4ub (l,Lm,10 .)

Fig. 240 Peso de la fracción contra el didmetro de las partículas.

PM do 10 Add"

(W 45

),6

3,2

0

6,4

9»

-0

- fi-,2

Í2,i olamom de lo~¡"

(N.m JO2)

Fig, 241 Peso de la fracción contra el diámetro de las partículas.

¡s

M

.A

6,4

de

5,0

i~~

np

wkrm e. ivee.m

Fig. 242 Peso de la fracción contra el didmetro de las partículas, TABLA 237 Hidromódulo Tamaño de partículas (t.m)

Número de nuiximos

Calibre del tamiz (wm)

10:1 Número de máximos

Calibre del tamiz (,km)

15:1 Número de máximos

-

0-40

1

0-40

-

0 .57

22

40-60

7

40-60

-

57-90

4

60 .80

7

60-80

4

90-120

9

80-120

12

80-120

21

120-145

10

120-160

2

120 -160

7

180-205

8

-

-

-

-

205-235

7

-

-

-

-

235-265

3

-

-

-

-

265-295

3

-

-

-

-

295-322

1

-

-

-

-

322-352

3

-

-

-

-

470 .487

1

-

-

-

-

430

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúW

tabla, se pueden observar los resultados obtenidos con los análisis con tamices, al hacer un análisis comparativo de los resultados de los máximos por medio de cálculos y por medio de tamices, se observa, predominantemente, una acumulación de los máximos en el'rango cercano a 120 pm. El valor en longitudes de partículas obtenido aquí, coincide con los valores reportados por Battista y Smith para el polvo triturado de celulosa microcristalina . En el rango que se ha investigado, no se conocen antecedentes acerca de las unidades morfológicas de las fibras celulósicas . Battista y Smtih encnoartronH,t-cslzJt, sicas. Battista y Smith encontraron para el polvo de celulosa microcristalina, partículas de algunos miles de angstrüms o algo más de 10 wm. 3.2. XANTATO DE CELULOSA El xantat9 de celulosa es el producto intermedio que se obtiene como resultado de la maceración, en primer término, de la celulosa y, posteriormente, el tratamiento del producto obtenido de la anterior etapa con bisulfuro de carbono, de esta forma se consigue el xantato de celulosa. La maceración se ha efectuado, utilizándose concentraciones de hidróxido de sodio entre 15,5 - 20,02 % y usando tiempos de reacción de 30 - 90 min, a temperaturas de 15,0 - 22,0 °C. El contenido de hemicelulosas se controló a 0,6- 1,0 "io . El factor de prensado del álcali celulosa resultante, fue ajustado a 3,3. La operación de desmenuzado se extendió a 40-90 min; de 9,0- 12,0 "io del álcali celulosa quedaron en malla de 0,25 in. El proceso de envejecimiento se llevó a efecto de forma adecuada, de manera tal que se lograse una viscosidad de 40-70 s por el método de caída de bola. En esta etapa fueron usados tensoactivos indicados en cantidad entre 90-425 ppm. Para la - xantación se utilizó 40- 120 min, se reguló la temperatura y se añadió entre 30 - 45 % de bisulfuro de, carbono . La disolución se lleva a cabo, utilizando 1,5 - 3,0 h, a temperatura menor de 100 °C, aquí se añade bisulfuro de carbono de 4,0-9,0 % sobre la base de celulosa. En esta etapa fueron añadidos agentes modificadores de la viscosa en cantidades entre 0,5 - 2,5 "io sobre la base de la celulosa . La filtración es efectuada a través de un filtro prensa común, obteniéndose viscosas aptas para la hilatura y para determinadas regeneraciones . 3.2.1 Producción de fibras En la producción de filamentos, la viscosa es obligada a pasar, bajo presión, a través de válvulas llamadas surtidores, que a su vez tienen en sus cabezales orificios muy finos por donde fluye la viscosa, estos cabezales de los surtidores _ están sumergidos en un baño llamado de coagu-

lación. Los filamentos de viscosa, salientes de estos surtidores, son coagulados de inmediato y estas fibras coaguladas que han salido de cada surtidor (cada surtidor posee un gran número de orificios), se combinan en un haz principal y continúan el flujo, simultáneamente ; a través de los siguientes baños, se le somete al estiramiento y se colecta en aparatos al efecto, en forma de bobinas . El tamaño del haz principal, en el caso de filamento continuo rayón, varía desde 40 hasta 2200 denier, el número de filamentos por haz varia desde 14 hasta 960. En la producción de fibrana, el número de orificios por surtidores es mayor, en algunos casos varios millares, y el tamaño del haz principal por surtidor puede ser tan alto como 10 000 denier y, en algunos casos, mayores . Después de la formación y cuando la coagulación de la viscosa es completa (la regeneración de la celulosa puede ser o no completa), el haz fibroso es sometido a cierto número de operaciones, incluyendo el estiramiento, lavado, desulfuración, blanqueo, acabado o tratamiento con aceite, secado, embobinado . Cuando el blanqueo es necesario, al mismo le sigue el proceso de desulfuración y usualmente se lleva a cabo con solución de hipoclorito de sodio con un contenido aproximado de 0,05 de cloro. Después de la desulfuración y el blanqueo, el haz fibroso puede recibir otros tratamientos tales como acabado y tensión después del cual es secado . La última operación, que es en extremo importante para establecer las propiedades del producto final, puede ser llevada a cabo con o sin tensión. En algunos casos, la tensión durante el secado puede ser uniforme para minimizar algunas de las diferencias entre enlaces. Los filamentos pueden ser cortados para formar fibrana, inmediatamente después de su coagulación o lavado, y los subsiguientes procesos llevarlos a efecto en las fibras cortadas o también se pueden continuar los haces fibrosos de varios surtidores en forma de una soga y entonces procesarlos, en esta forma, después de la cual la misma es cortada a la longitud deseada y entonces secada . Entre las funciones del baño de coagulación, está coagular la celulosa dispersa en la viscosa y descomponer el xantato remanente, por lo menos una parte de él, neutralizar el álcali libre, descomponer las sales de los productos colate. rales y ser compatible con los productos colaterales de la reacción. La más importante fun. ción es, sin duda, coagular y regenerar la viscosa de forma tal que se consiga una masa plástica homogénea y a una velocidad que permita a los filamentos coagulados que sean llevados, rápi-

QUIMICA

DE

43 1

LA CELULOSA

damente ; a través del flujo sin ninguna interrupción. La composición normal que se debe usar en el baño de coagulación es: ácido sulfúrico de 7,0- 13,0 % y sulfato de sodio de 13,0-25,0 % . El sulfato de magnesio o el sulfato de amonio son algunas veces, usados en lugar de todo o parte del sulfato de sodio . Además, en el baño de coagulación, en la actualidad, se puede utilizar sulfato de cinc, en cantidades entre 0,5 - 2,0 % y en otros casos se añaden compuestos orgánicos tales como glucosa y agentes humectantes o dispersantes . 3.2.2 IProdueción de películas Las características de las celulosas que se usan para la producción de distintos productos del rayón son casi iguales . Entre la producción del rayón y la del celofán existe cierta diferencia, una de ellas es la que está presente en el diseño de los surtidores para uno y otro caso y otra diferencia es la distribución y el tipo de baños y lavado con que se tratan los productos en sus distintas etapas de tratamiento . Para la producción de las películas de viscosa, es necesario que ésta esté desaereada, de aquí ésta ingresa al dosificador que la envía a través de los filtros antes de ésta pasar a la zona del surtidor y de ahí a la ranura, para su formación en el baño de coagulación, de aquí se envía al baño regenerador después de pasar por rodillos exprimidores de escurrimiento de la película. Posteriormente, la película pasa al baño de lavado donde se regula la alcalinidad. La próxima etapa es el blanqueo que se realiza en el tanque con solución de hipoclorito de sodio . De aquí pasa a cilindros escurridores y penetra en el equipo secador. Después del equipo de secado, la película entra en el humedificador donde se equilibra, uniformemente, la humedad en toda la película. Las películas del celofán, así obtenido, se pueden observar en la tabla 238. En la producción de la película de viscosa, es muy importante la sección de regeneración y tratamiento de la misma. En esta área hay alrededor de 14 baños que están adaptados a los requerimientos específicos del proceso tecnológico, están distribuidos en la siguiente forma : Baños de regeneración Como mínimo 4,0 Baño de desulfuración

1,0

Baños para el primer lavado Como mínimo 2,0 Baños para Baños para Baños para acabado de

el .blanqueo el 2" lavado el suavizado y película

Como mínimo 3,0 Como mínimo 2,0 Cumo mínimo 2,0

TABLA 238

Celofán

Propiedades

Transparencia (%)

(40

g/m%;

Elongación en anchura (%) (min) {en longitud Permeabilidad al aire celofán para empaquetar

22,0

% glicerina)

(cinta de

2,5

cm)

13,0 10,0

burbujas de aire/m' diámetro máximo 2 mm 8,0

Resistencia a la penetración (kgJcm') (min) 1` calidad Resistencia al choque (kg/cm) (glicerina 11,8 %) Absorción de agua (g/m2) (H.R.-60 %; Calibres Peso básico 40 30 (mm) 1(g/tn')

24 h)

60

Tenacidad % glicerina, 14,3 (kg) I%humedad- 5,7 H.R.:

90,0

longitud ancho

3,0 4,60 14,4 0,020 0,026 0,040

15,8 11,6

humedad relativa.

Todos estos baños se dividen en las secciones correspondientes y pueden, de acuerdo con la producción que se requiera, ser intercambiados, además, tienen sus sistemas de calentamiento separados por secciones y por baños y como se relataba anteriormente están provistos de rodillos para transportar la película y aplicarle a la misma diferentes tratamientos. 3.3

ESTERES DE CELULOSA

Los ésteres de celulosa, en los últimos tiempos, han tenido un desarrollo no uniforme en lo referente a su producción aunque es. cierto que algunos productos que están colocados dentro de esta clasificación, han generado un alza en todos los sentidos: producción, utilización diversificada y conquista de mercado, como es el caso del acetato de celulosa en toda su gama de tipos; se tiene al nitrato de celulosa que no se puede decir que su producción ha disminuido, en sentido absoluto, pero es cierto que ha habido en este éster celulósico una reducción en lo referente a utilización diversificada y, por lo tanto, conquista de mercados, en la actualidad se puede decir que su utilización está limitada a la obtención de lacas y en un tanto por ciento significativo, a la de producción de pólvora sin humo, que sirve de base a la confección de explosivos, además se emplea en un tanto por ciento

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

432

relativamente bajo para la elaboración de algunos tipos de plásticos especiales. 3.3 .1 Producción de nitrato de celulosa El proceso de producción del nitrato de celulosa es, al mismo tiempo de una tecnología dificultosa, extremadamente de cuidado, ya que los mismos reactives y el producto en cuestión, pueden formar mezclas con el oxígeno del aire de carácter explosivo . Uno de los métodos usados para la obtención de este producto, es el proceso mecánico, el cual se puede describir de la siguiente manera. El equipo consta de un tanque que mantendrá el volumen constante de ácido, desde aquí el ácido, ya medido, ingresa en el equipo nitrador, aquí la celulosa se añade al ácido, mientras se mantiene agitación constante. En este método la concentración del ácido deberá ser exactamente mantenida y ajustada a la materia prima que se usa o, por el contrario, no se obtendrá el producto que se desea ; por otra parte, los incendios son frecuentes en la centrífuga, si no se tiene el cuidado de que el producto no baje demasiado el contenido de ácido, que debe ser no menor del mínimo . Al nitrato de celulosa se le somete al proceso de estabilización, hirviendo el material a presión y a una temperatura cercana a 105 °C . La celulosa nitrada retiene la mayoría de las características físicas de la materia prima original, con excepción de que las fibras son fuertes y brillantes . Las principales características del nitrato de celulosa son el contenido de nitrógeno y la viscosidad, esta última depende de la materia prima y de las condiciones de nitración . El peso molecular del nitrato de celulosa se puede determinar por osmometría, pero los resultados son diferentes a los obtenidos por viscosimetría. La solubilidad del nitrato de celulosa en acetona está más influida por la unifqrmidad de la nitración, que por su grado de nitración . En la tabla 239 se pueden observar resultados de diferentes muestras de nitrato de celulosa, indicadas en función de sus contenidos de nitrógeno para diferentes campos de utilización . TABLA 239 Contenido de nitrógeno (26)

Uso del nitrato de celulosa

10,7

Plástios

11,2

Películas, lacas

11,8

Lacas, cuero artificial

12,4

Explosivos

El nitrato de celulosa puede así mismo ser combinado con pigmentos, plastificadores, materias colorantes, etc ., para obtener productos que se aplican a superficies para su acabado y para impartirles propiedades especiales. 3.3.2 Producción de acetato de celulosa Como es conocido, el acetato de celulosa, es el de más alta producción, en comparación con otros derivados químicos tanto ésteres como éteres de celulosa . Los acetatos de celulosa se eniplean, ampliamente, en la obtención de fibras, membranas, películas y plásticos, entre otros productos . Antiguamente se obtenía el acetato de celulosa a partir del algodón ; más tarde, y en el momento presente, se utilizan los linters de algodón . El perfeccionamiento de nuevos métodos de obtención de celulosa a partir de la madera con características de pureza alta y con no menos reactividad durante la acetilación, produce una celulosa que en el presente, es la de más amplia utilización en la producción de acetatos. Es interesante que al mismo tiempo que se obtenía la celulosa de la madera por el método de las cocciones ácidas, en los últimos tiempos se ha comenzado a usar para la acetilación la celulosa al sulfato. Se conocen múltiples investigaciones para la obtención de acetato de celulosa a partir de materia prima no maderable, por ejemplo : de la paja de arroz, bambú, Arundo donnax, sin embargo, ni uno de estos tipos de materia prima encontró utilización práctica. Significativo interés constituye la investigación de la síntesis de acetato de celulosa a partir de celulosa del bagazo. La obtención, a partir del bagazo, de celulosa con características suficientes para lograr de ella derivados químicos y, en especial, acetato de celulosa, constituye un problema más complicado. Se conocen trabajos acerca de la preparación de celulosa para viscosa a partir del bagazo, básicamente cocción al sulfato con prehidrólisis y algunos trabajos encaminados a la generación de fibras de viscosa a partir de estas celulosas . Se han realizado las pruebas para la obtención de tales tipos de productos de la viscosa, para las cuales no se necesite demasiada alta calidad -en la celulosa, como es el caso de la fibrana y el celofán . Pero aún más complicado es la síntesis, sobre la base de la celulosa del bagazo, de acetatos de celulosa, que pueden, con éxito, convertirse en fibras, membranas, películas o plásticos . 332.1 ACTIVACION DE LA CELULOSA La activación de la celulosa se lleva a efecto, para aumentar la reactividad en la misma, por medio de la accesibilidad de los reactives con

43 3

QUIMICA DE LA CELULOSA

los cuales se vaya a tratar . Se usaron 2 métodos de activación llamados : método normal y método fuerte, consistente, el primero, en tratamiento de la celulosa, con humedad conocida, con ácido acético glacial en relación entre 1 :05 - 1 :1, manteniendo la masa en reactor hermético durante 0,5 - 2,0 h, a temperatura de 80 - 110 °C. La segunda variante de activación se desarrolla de la forma siguiente : se usa solución de ácido acético a 82 %, usando una relación entre celulosa y ácido de 1 :25-1 :50. La celulosa es tratada en un reactor provisto de agitador de alta velocidad durante 60 min a temperatura ambiente, posteriormente, se le separa el ácido por medio de centrifugación y se lava con porciones de ácido acético glacial y así mismo se centrifuga y se deja húmeda la celulosa así activada. 332.2

DETERMINACIóN DE LA REACTIVIDAD

La reactividad de la celulosa, antes de la acetilación, se ha determinado por medio del efecto térmico, medido en el recipiente de Dewar (Fig. 243) . La celulosa ya activada, se le trató

bajo agitación fuerte, en medio de ácido acético, en relación 1 :1 - 1 :0,6 . La temperatura de la suspensión antes de comenzar la reacción es de 25'C . Se acompañan las curvas de acetilación, siguiendo el aspecto térmico de la reacción (Fig. 244) . La filtración de estos siropes se determinó bajo los parámetros siguientes: temperatura 30'C, presión 2,5 kg/Cm 3. Para la medición de algunas características fue necesario la centrifugación de los siropes (1 h ; 2 600 rpm) . Las características de las celulosas usadas en esta investigación se muestran en la tabla 240. Las características de los "siropes" de acetato, obtenidos en las acetilaciones de diferentes muestras celulósicas del bagazo y la madera, activadas con ácido acético glacial y solución a 82 % de ácido, se muestran en la tabla 241 . En la tabla 241 se observa que como resultado de la más efectiva activación (con solución de ácido acético a 82 %) se han obtenido "siropes" más transparentes . Las características de las soluciopes obtenidas de celulosa prehidrólisis sulfato, son de inferior valor a las obtenidas' sobre la base de la celulosa digestión nítrica del bagazo y de la celulosa al sulfito de la madera. .` Es interesante analizar la influencia del tipo de materia prima y el régimen de activación, en una de las más importantes características tecnológicas, que es la filtración de los "siropes". En la figura 243 se presentan los resultados de los experimentos efectuados en el sistema de coordenadas : tiempo en el cual se efectuó la filtración (t), contra la relación entre tiempo de filtración y el volumen del filtrado . Los resultados de la filtración de los "siropes", obtenidos a partir de las diferentes muestras y regímenes de activación, se calcularon de acuerdo con la ecuación : (40) donde: K : constante (m -1). r: Tiempo de filtración (s). v: Cantidad de filtrado (m 3) obtenido a través de 1 m 2 de sección del filtro en el tiempo

Fig . 243

Recipiente de Dewar.

m " : Velocidad inicial de filtración

m3

m2 . s

,

Fig. 244 Curvas de acetilacidn.

TABLA 240

Características

Celulosa al sulfato de bagazo

C~sa digestidn nítrica del bagazo

a-celulosa (%)

94,0

95,4

Celulosa sulfilo de la madera Rauma C. 94,2

Petitosanas (%)

3,39

1,88

2,05

Cenizas (%)

0,184

0,062

0,005

Fe (ptm)

67,0

Grado de polimerizacidn Número de cobre Brillantez, en grado Elrepho (%) Coeficiente de amarillezam Contenido de polisacáridos 'determinado por cromar de papel (%

960 0,39 82,5 0,094

28,0 1150

1120

0,57 91,6 0,058

92,7 0,063

TABLA 240 Celulosa al sulfato de bagazo

Celulosa digestión nítrica del bagazo

Celulosa sulfito de la madera Rauma C.

94,87

95,78

97,07

Xilosa

4,51

1,00

2,12

Galactosa

0,005

0p1

0,06

Arabinosa

0,56

0,14

0,73

Caracteristicas Glucosa

r

la método de determinad etmta da de a en p celuloso, se ef~ pre realizando~ lizando una m eztraccldn las c~Imestoa solubles ptasentea en V celulosa, con ácido acético acial m relactén 1:10-tse, donate 5,0-8,0 h . El COCEMente de amarilla: del extnMO, se determina aseado los valore* obra nidos en la e:tracddn, pera resolver la siguiente eaacidn: Tw .Tsr

K ar

a.

donde: Tos Y Tu, son Iguales a transmlsldn de la luz m tantos por ciento, am bogitudes de onda de 610 Y éta mato.

TABLA 241

Características de los siropes

Celulosa Celulosa Celulosa digestión sulfato sulfato nítrica de la del del madera bagazo bagazo

Activación con ácido acético glacial Sirope no centrifugado Transparencia en fotocolorimetro (%) Viscosidad (cP)

4,9 168

10,8 143

12,0 148

Sirope centrifugado Transparencia en fotocolorirnetro (%)

43,2

74,1

68.7

Coloración en fotocolorbnetro (%)

52,0

22 .6

24,5

Activación con ácida acético a 82 % Sirope no centrifugado Transparencia en fotocolorllaetro (%)

22,0

35A

-40,2

436 A partir de las rectas de la figura 245 se pueden determinar las magnitudes K y w-, las cuales presentamos en la tabla 242 . TABLA 242 W. (m/s)

K (m - ')

Tipo de celulosa

Régimen de activación

Sulfato del bagazo

AcOH glacial a 80 *C

4,4

5,3

Sulfito de la madera

AcOH glacial a 80'C

12,9

5,3

Nítrica del bagazo

AcOH glacial a 80 *C

5,4

3,2

Sulfato del bagazo

AcOH solución a 8246

5,8

4,0

Sulfito de la madera

AcOH solución a 82%

10,7

3,6

Nítrica del bagazo

AcOH solución a 82%

8,2

2,3

T/v{

m3

G OW

3 000

4 000

3 000

2 000 i

1 000

300

1000

1900

20M

Fig. 245 Dependencia entre relación tiempo-volumen de filtrado y el tiempo de filtración .

437

QUIMICA DE LA CELULOSA

cuestiones interesantes, éstas se muestran en la tabla 244 . El triacetato de celulosa obtenido fue hidro]izado hasta un contenido de ácido acético combinado en el acetato de 54-55 °i6 . Después de la precipitación el acetato de celulosa se lavó y secó . Las características del acetato obtenidas a partir de los análisis realizados en el acetato de celulosa, se muestran en la tabla 245 .

332.3 OBTENCIóN DE ACETATO DE CELULOSA A PARTIR DE PULPA, DIGESTIóN NITRICA Conociendo las características positivas, demostradas, de este tipo de pulpa, se procedió a la obtención de acetato de celulosa, a partir de 3 muestras de diferentes características, que presentamos en la tabla 243 . El método empleado para el tratamiento de estas celulosas fue el método periódico de acetilación homogénea, en medio de cloruro de metileno . Se utilizó el método de activación normal (AcOH glacial a 80"C), seguido de la acetilación en módulo 1 :10, en presencia de catalizador ácido sulfúrico 1,0 °rb y, en otro caso, catalizador binario ácido sulfúrico 0,4 "io, más ácido clórico 0,16 % . Cuando dichas pulpas se someten a la acetilación, se observa en ellas, toda una serie de

3.4 ÉTERES DE CELULOSA Los éteres de celulosa ocupan un lugar de importancia entre los derivados químicos de la celulosa, aquí se agrupan toda una serie de compuestos químicos celulósicos que, evidentemente, se deben tener en cuenta en la economía nacional, entre éstos se encuentran el CMC, etilcelulosa, metilcelulosa, etc ., todos de amplia utilización en la industria moderna.

TABLA 243

Características rccelulosa (90) Pentosanas (Wo) Cenizas (W6) Extractivos en dicloroetano (4b) Inclusiones minerales (mg/kg) Hierro Calcio

Celulosa patrón Florinie (USA) 96,6

97,7

97,7

95,6

2,6

2,3

3,1

2,8

0,12-0,20

0,13

0,14

0,18

0,24

0,20

-

0,19

6-10 4,6

Magnesio

12,22

Dióxido de silicio

47,0

G.P. en cadoxeno

Celulosas del bagazo 2 3

1

1500

1485

1400

1360

Solubilidad (96) Solución NaOH a 10

3,4

3,9

3,4

3,5

Solución NaOH a 13

2,3

1,1

1,4

1,6

92,0

88,9

89.9

88,0

Brillantez (°h) Longitud promedio de fibra (mm) Penetración del AcOH (kg/h)

1,4 600-800

0,5 500

500

43 8

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 244

Características

Celulosa del bagazo

Celulosa Fío~

Constante de velocidad de acetilaci6n (min) Color del sirope con relación a la mezcla acetilante (%)

0A6

I

2

3

-

0,60

0á6

%A

Siropes obtenidos a nivel de laboratorio Coloración (%)

7410

65 .0

740

92A

8110

75,0

31,0

Z7,0

30,0

12,0

3,0

3.5

3,5

Transparencia (%) Filtración (%)

33,0

TABLA 245

Características

Requisitos

Acido acético combinado (%) Viscosidad relativa

53,7 . 54,9 0,47

Viscosidad de solución 23%

600-900

Transparencia (cm) Coloración

14

Cenizas (%) Acido libre (%) Termoestabilidad ('C)

a - celulosa: hidróxido de sodio : cloro acético = 1,0 : 1,9: 1,8.

54,5 0,41

53,8 0,47

54,0 0,55

285

1072

1184

9

9

9

025-0,45

0,79

0,87

0,69

0,07

0,03

0,03

0101

0,02

0,02

0,02

0,01

210

3.4.1 Producción de CMC La celulosa que se ha usado en la producción del derivado químico, en esta ocasión, es del tipo digestión-nítrica, cuyas características se muestran en la tabla, 246. Las síntesis del CMC han sido efectuadas en un equipo del tipo mezclador de la marca Verner-Pflader con una capacidad de 30 1. El ácido monocloroacético usado, esto es la sal sódica del mismo, contenía 91,5 % de parte activa. La relación molar entre los componentes de la reacción fue la siguiente :

Diacetatos de celulosa 1 2 3

208

207

210

Fueron efectuadas 3 síntesis, se obtuvo, en cada una de ellas, un rendimiento promedio de 2,5 kg de producto técnico . Estos productos fueron sometidos a su caracterización respectiva, obteniéndose los resultados que se presentan en la tabla 248. Los productos aquí caracterizados, de grado técnico, fueron posteriormente sometidos al proceso de purificación. Los productos así purificados fueron sometidos a una serie de análisis para su caracterización y así tener más completa información acerca del tipo de derivado obtenido . En la tabla 249 se presentan los resultados de estas determinaciones .

439

OUIMICA DE LA CELULOSA TABLA 246 Características Grado de polimerización (en Cadoxeno)

TABLA 247

NI

N2

N3

1295

1360

1320

Pentosanas (%)

3,1

2,9

3,5

acelulosa (%)

94,3

95,1

93,8

Brillantez (%)

85,4

87,1

87,5

Contenido en el dtcali celulosa

(%) 30,0-32,0

«celulosa

Cenizas (%)

0,21

0,16

0,18

Ceras y resinas (en dicloroetano)

0 .30

0,27

0,26

Solubilidad en NaOH 18% (%)

2,7

1,9

2,1

Carbonato de sodio

1,5-2P

Hidróxido de sodio

13,5-14,6

Humedad

51,5-55,0

TABLA 248

Características

CMC patrdn pertoracidn pozos de Petrdleo

CMC de celulosas del bagazo N2 N3 NI

G.S. (no menor)

82,0

83,4

82,7

86,9

Alcalinidad (%)

5,0

4,2

4,4

4,1

Contenido activo (%)

52,0

53,3

56,7

56,8

Cloruro de sodio (%)

24,6

25,0

23,9

22,4

G.P. (no menor)

500

609

725

728

Cenizas (%)

37,5

37,8

38,9

42,6

Solubilidad en agua (%)

99,3

99,7

99,9

99,9

a.s .:

gmdo do =setueim.

El CMC tomado como patrón de comparación, ha sido del tipo usado en la perforación de pozos de petróleo, con el objeto de disminuir la tensión de los lodos y aumentar el sellado de las paredes de la perforación, este CMC ha dado muy buenos resultados en este campo. Las características de éste han sido superadas por las de ,los CMC obtenidos a partir de celulosas del bagazo, en casi todos los aspectos, con excepción de la alcalinidad en los productos no purificados . En relación con los productos purificados se tiene que éstas están por debajo de las especificaciones del patrón tomado en este caso, aunque es válido significar que las diferencias, en algunos casos, son pequeñas . Coti

referencia a a viscosidad es necesario aclarar que el patrón tomado es un CMC de muy alta pureza, de alta viscosidad, o sea, que aquí no es válida, exactamente, la comparación, ya que se ha tomado sólo como punto de referencia. El derivado químico en cuestión, se puede obtener a partir de otros tipos de celulosa del bagazo, por ejemplo, de la celulosa prehidrólisis sulfato, del tipo llamado pulpa para disolver, últimamente ha resultado algo novedosa la obtención del derivado químico a partir de celulosa del tipo papelera (para producción de papel), pero aún más, ésta sin haber sido blanqueada, esto es cruda . Haciendo alusión a la celulosa prehidrólisis-sulfato, es necesario aclarar que, esta celulosa

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 249 CMC patrón grado alimenticio (Francia)

Características

CMC purificado a partir de celulosas del bagazo N1 N12 N3

G.S.

89,5

87,2

89,1

87,8

Contenido activo (%)

97,7

79,6

80,3

80,5

G.P. Solubilidad en agua Cenizas

(aio)

P.E. (soluc, a 3,0 I.R. (soluc, a 3,0

aio) aio)

Viscosidad (cP) Cloruro de sodio

m

750

760

765

100

100

100

100

23,8

(aio)

Alcalinidad

800

20,2

21,5

20,8

1,0077

1,0073

1,0071

1,0070

1,332

1,336

1,334

1,334

808,0aa

70,7

78,5

79,4

(4b)

(aio)

CMC grado alimenticio, de alta viscosidad (máxima pureza) . P.E .: peso especifica . 1 .R. : índice de refracción .

es obtenida en equipos de escala de planta piloto, cubriendo todas las etapas de su obtención, las necesarias, para así conseguir una celulosa con especificaciones de alta calidad, a partir del bagazo . La velocidad de la reacción de eterificación depende, en alto grado, de la temperatura a la cual se efectúe el proceso, también se debe señalar que un aumento en la cantidad del ácido monocloroacético o del monocloroacetato de sodio se traduce en una aceleración de la reacción en cuestión . La velocidad de la reacción de eterificación depende, en alto grado, de la temperatura a la cual se efectúe el proceso, también se debe señalar que un aumento en la cantidad del ácido monocloroacético o del monocloroacetato de sodio se traduce en una aceleración de la reacción en cuestión. En esta ocasión, se ha estudiado el efecto de la temperatura, tiempo de reacción, relación NaOH/CICH ICOOH, sobre las características de los productos obtenidos, partiendo de celulosa prehidrólisis-sulfato. Las características de la materia prima se muestran en la tabla 250 . Los productos obtenidos de las síntesis, usando los regímenes antes señalados, fueron sometidos a su caracterización, determinando en ellos el G.S. y la solubilidad, usando el método de Wilson y el estándar alemán TGL, respectivamente . En la tabla 251 se presentan los re-

TABLA 250 Características G.P. (en Cuen) Pentosanas

(ah)

Celulosa prehidrólisis-sulfato 1120 1,52

a-celulosa

(aio)

94,80

Brillantez

(aia)

87,60

Cenizas

(aio)

0,87

sultados obtenidos en algunos de los produc. tos sintetizados . Todos los productos obtenidos se disuelven en agua ya que su G.S. es superior a 0,3, como se sabe los CMC de G.S. igual o menor a este valor, sólo son solubles en soluciones acuosas de álcali . Con referencia a la obtención de CMC a partir de celulosa del tipo usado para la producción de papel, es necesario significar que ha sido una idea llevada a la práctica y con resultados que han sido halagüeños . La celulosa usada para la obtención del CMC, es del tipo a la soda del bagazo, cuyas características se presentan en la tabla 252.

QUIMICA

DE

LA

44 1

CELULOSA

TABLA 251

Relación NaOH/C1AaOH

moles NaOH/CIAcOH

Tempera, tura ('C)

Tiempo reacción (h)

G.S.

Solubilidad ° ( i6)

2,0 :1

0,74 :0,37

50

4

0,89

%,5

2,0 :1

0,32 :0,16

60

4

0,64

63,7

2,0 :1

0,74 :0,37

60

3

0,85

97,0

2,0 :1

0,74 :0,37

60

3

0,85

97,0

2,0:1

0,74 :0,37

70

2

0,73

82,5

3,0 :1

0,48 :0,16

50

3

0,68

79,4

3,0 :1

1,11 :0,37

50

3

0,89

%,5

TABLA 252

Características a.celulosa

(48)

Pentosanas

Cenizas

(°h)

(96)

Viscosidad (cP) G.P.

TABLA 253

Celulosa a la soda 76,21 24,82 0,55 11,95 1160

Cao

60,2

Fe,O,

55,6

Sio2

78,5

A partir de celulosa que no sea de suficiente calidad para obtener de ella derivados químicos, se puede conseguir CMC no purificado, como el que se usa en las perforaciones de pozos para la búsqueda de petróleo. Las características de los CMC obtenidos de la celulosa en cuestión, se muestran en la tabla 253 . Como se ha observado en el contenido de este material, la producción de CMC a partir de celulosa del bagazo de la caña de azúcar, no sólo es factible como tal, sino también que es posible obtener toda una gama de productos, para utilizarlos en distintos campos de la industria .

Relación CMC molar Grado de Solubi7idad NaOH/ sustitu. (48) CIMOH ción

Celulosa Soda (cruda)

3,0 :1,0

0,89

92,0

Soda (cruda)

2,0 :1,0

0,86

78,0

Soda (blanqueada)

1,9 :1,8

0,89

93,0

Soda (blanqueada)

2,0 :1,9

0,87

90,5

Sulfato

2,0 :1,0

0,90

96,7

(blanqueado)

4 Diagrama de flujo para la producción de derivados de celulosa. Equipamiento Entre los productos derivados de la celulosa, que tienen una exigencia extrema en la calidad de la materia prima, se encuentran los microcristales de celulosa o polvo de celulosa como suele llamársele a este producto. El diagrama de obtención del mismo, se puede observar en la figura 246. En este flujo de producción se pueden significar los equipos siguientes: a) Equipo

desmenuzador,

sin aletas cortantes .

b) Equipo mezclador, donde se realiza un contacto temporal entre la celulosa y la solución . c) Reactor, en el cual se realiza la reacción, está provisto de agitación, calentamiento y debe ser hermético .

442

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

d) Equipo de filtración, puede ser del tipo centrífuga en dependencia del tamaño de partícula .

g) Si no se tiene el molino provisto con los tamices, se hace necesario un equipo tamizador con su juego de tamices.

e) Un equipo secador, preferentemente de columna a contracorriente, aunque puede usarse del tipo transportador de banda.

h) Equipo empacador de cosido de sacos multicapas o sellado de sacos de polietileno.

f) Equipo de molinado con tamices intercambiables, para obtener el tamaño de partícula deseado.

Otro de los productos que se obtienen de la celulosa es el xantato de celulosa que como intermediario, permite, más tarde, que la celulosa sea vuelta a su estado de orientación cer-

MEZCLADO CON SOLUCION HIOROLIZANTE

CELULOSA

PROCESO DE

PROCESO DE

HIDROLISIS

FILTRACION

TRATAMIENTOS DE

PROCESO DE

ACONDICIONAMIENTO

SECADO

PROCESO DE MOLINADO

Fig . 246

Flujo

de oótenci6n de polvo de celulosa

443

QUIMICA DE LA CELULOSA

cano al inicial, al producirse, a partir de ello, productos tales como : celofán, fibrana, rayón, hilaza textil, etc . El diagrama de flujo para la obtención de dicho producto, es el que se muestra en la figura 247 . En esta secuencia tecnológica se incluyen los siguientes equipos : a) Equipo de maceración, batch o continuo .

para hojas

CELULOSA

en

b) Equipo desmenuzador para tratar el álcali celulosa. c) Equipo para envejecer el álcali celulosa obtenido. d) Equipo para tratar el álcali celulosa con bisulfuro de carbono . e) Equipo para efectuar la disolución del xantato de celulosa .

MACERACION

DESMENUZADO

XANTACION

DISOL.UCION

MADURACION

FILTRACION

DESAEREACION

FIERAS LISAS

IBRAS FINAS CORTADAS

(RAYON)

(FIBRANA)

PELICULA PLANA

BLOQUE POROSO

(CE LOFAN)

F FIBRAS FINAS LISAS ( HILAZA TEXTIL)

Fig. 247 Flujo de obtención de xantato de celulosa.

(ESPONJA)

444

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CASA DE AZÚCAR

f) Equipo para la maduración de la viscosa. g) Equipo para la filtración de la viscosa. h) Equipo eliminados de las burbujas de aire en la viscosa. i) Máquina formadora .

es, sin duda, el nitrato de celulosa, cuyo flujo de producción se presenta en la figura 248. En las diferentes etapas de este flujo se pue den citar los siguientes equipos básicos: a) Equipo reactor para nitración . b) Equipo para separación del nitrato del medio .

Un derivado químico de la celulosa, de consideración por su importancia y estrategia, lo

CELULOSA

c) Equipo para la colección producto.

NITRADOR

CENTRIFUGADOR

ACONDICIONADOR

ESTABILIZACION

SECADO

Fig. 248 Flujo de obtencldn de nitrato de celuloso .

temporal del

445

OUIMICA DE LA CELULOSA

d) Equipo para los tratamientos ulteriores del nitrato. Igualmente importante es el acetato de celulosa, que es usado en múltiples propósitos y que su flujo de obtención lo presentamos en la figura 249. En los diferentes pasos del flujo para su obtención se pueden desglosar los equipos siguientes: a) Equipo reactor para la activación de la celulosa. b) Equipo reactor para la activación de la celulosa.

c) Equipo reactor para la hidrólisis del acetato de celulosa. d) Equipo purificador para el acetato de celulosa. e) Equipo lavador del acetato de celulosa. f) Equipo estabilizador del acetato de celulosa . 9) Equipo secador del acetato de celulosa. Por último, se muestra el flujo de producción de CMC, este derivado químico es de muy

Fig. 249 Flujo de oótencidn de acetato de celulosa .

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

amplia utilización en toda una serie de renglones de la economía nacional . En la figura 250 se muestra la secuencia de su obtención, en ella se, utilizan los equipos que siguen :

e) Equipo para proceder a purificar el CMC (lavador) . f) Equipo secador del CMC (secador) .

a) Equipo para efectuar la maceración .

g) Equipo para triturar el CMC (molino) .

b) Equipo para ajustar la relación de prensado (PWR) en el álcali celulosa .

h) Equipo para tamizar y uniformar las partículas de CMC .

c) Equipo ción.

i) Equipo para empacar el producto temti. nado.

para

efectuar

la

carboximetila-

d) Equipo para extraer el líquido de la masa de CMC .

CELULOSA

MACERACION

CARBOXIMETILACION

CMC EXTRACCION DEL LIQUIDO

CMC IMPURO

PURIFICACION

CMC PURIFICADO

MOLINADO

Fig. 25 0 Flujo de obtención de CMC.

SECADO

TAMIZACION

QUIMICA DE LA CELULOSA

S Perspectivas del desarrollo de otros derivados de la celulosa, a partir de la pulpa para disolver del bagazo Como se ha observado, las perspectivas de utilización de la celulosa del bagazo de la caña de azúcar, en la obtención y producción de derivados, tanto químicos como físicos y de celulosas regeneradas, son de carácter muy positivo, ya que el camino andado, aunque no muy amplio, señala que el futuro de los derivados es de gran significación, tanto desde el punto de vista de estrategia económica, como desde la posición de solucionar problemas y necesidades que, actualmente, inciden sobre el aspecto tecnológico en no pocos campos de la industria nacional. De todos los derivados anteriormente citados no se han explotado sus posibilidades al máximo, por lo que todavía la producción de éstos tiene amplios horizontes . En los últimos tiempos, se ha introducido toda una serie de mejoras en el flujo tecnológico de la producción de pulpas para disolver, que lógicamente tiene su resultado positivo, entre éstos se pueden citar : a) Aumento de la pureza de las pulpas obtenidas, que redunda en una posible mayor reactividad. b) Mayor pureza de las pulpas, lo que incrementa el campo de utilización de éstas en la obtención de otros tipos de productos derivados. La industria nacional está dando grandes saltos cuantitativos y cualitativos con vistas a salir del subdesarrollo : tecnológico, científico-técnico, económico, y en este andar incesante, se tienen grandes dificultades que muy bien pudieran ser solucionadas con las respuestas positivas salidas deteste tipo de gestión. En Cuba, actualmente, se tienen las condiciones favorables para el exitoso desarrollo de otros tipos de derivados celulósicos y la organización de la producción de los que hasta ahora ya se tiene cierta experiencia e información emanada de sus investigaciones . Y como si fuera poco todo lo anteriormente dicho, hemos obtenido resultados magníficos al producir derivados indicados para cierta esfera de la economía a partir de celulosa para disolver sin blanquear, lo cual amplía aún más las posibilidades de utilización de estas pulpas celulósicas. O sea, que las perspectivas de desarrollo de los derivados, en general, son halagadoras y, en particular, para aquellos del tipo simple así como del tipo compuesto, también se vis-

447 lumbra, en un período más alejado, otra generación de éstos que son derivados a partir de derivados, que constituyen también otro campo de investigaciones en lo que respecta a sus obtenciones a partir de celulosas para disolver del bagazo .

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Capítulo XVII POLIMEROS FURÁINICOS Jrsús L. GoNzÁLm Pi sz

1 Introducción Se denominan polímeros furánicos, a las macromoléculas que se forman a partir de compuestos monoméricos de la serie del furano, tales como el furfural, el alcohol furfurílico, vinil furano, 5 metí¡ furfural, alcohol tetrahidrofurfurílico, etc. También se clasifican dentro de este tipo de polímero, a los productos obtenidos al hacer reaccionar algunos de estos monómeros furánicos con cetonas, aldehídos, aminas, fenoles y otros compuestos orgánicos . Los polímeros furánicos de mayor aplicación en la industria son los derivados del furfural, del alcohol furfurílico y de las furfurilidenacetonas. Los monómeros furánicos son polifuncionales por tener en su estructura dobles enlaces en el anillo, grupos carbonilos y enlaces vinflicos en la cadena lateral, así como la gran labilidad del átomo de hidrógeno de la posición 5 del anillo. A causa del carácter polifuncional de estos monómeros es posible la síntesis de oligómeros termorreactivos, los cuales, por influencia térmica o termocatalítica, dan jugar a la formación de polímeros infusibles e insolubles de estructura espacial reticulada. Entre las propiedades fundamentales de los polímeros furánicos reticulados, se encuentra su alta estabilidad térmica, la cual está entre los 300 y 500 °C, su estabilidad química frente a la totalidad de los agentes agresivos; se exceptúan solamente los agentes fuertemente oxidantes, además estos productos presentan un alto residuo pirolítico el cual alcanza, en ocasiones, de 85 - 90 % . Estos productos poliméricos tienen una buena estabilidad a las radiaciones, así como propiedades dieléctricas aceptables . El proceso de endurecimiento de los oligómeros furánicos provoca un incremento sustancial en la densidad de los polímeros obtenidos, el cual va desde 1100 - 1200 hasta 1400- 1 500 kglms, por consiguiente, se produce una contracción volumétrica en el producto final, lo que da lugar a rajaduras en el material y provoca una dismi-

ORLANno DE LA

OsA Gox~z

nución de las propiedades mecánicas del polímero. Por esta razón, los polímeros furánicos se utilizan, en la práctica, unidos con rellenos minerales en polvo, con fibras sintéticas o naturales, los cuales no solamente reducen los defectos del producto durante el proceso de endurecimiento, sino que también dan la posibilidad de explotación de los polímeros furánicos en un campo más amplio de aplicaciones. Los oligómeros furánicos son utilizados, también, para la modificación de oligómeros epóxidos, oligómeros derivados del fenol formaldehído, de poliésteres insaturados y otros polímeros, con el objeto de aumentar sus estabilidades térmicas y químicas. Los polímeros furánicos se conocen desde el momento del descubrimiento del furfural por Dübereiner, en 1832, el cual fue el primero en observar la formación de productos poliméricos durante el proceso de obtención de este aldehído. Stenhouse, en 1840, y Fownes, en 1845, observaron un sensible incremento en la velocidad del proceso de formación de polímeros del furfural, al efectuarse esta reacción en presencia de ácidos minerales y álcalis . Posteriormente, se estableció que el proceso de formación de pobmetros derivados del furfural se aceleraba en presencia de ácidos orgánicos, sales de ácidos, halogenuros de algunos metales, etc. Maunier, en 1916, fue el primero que recomendó la utilización de los polímeros de condensación del furfural con las cetonas, al establecer que, el furfural produce una reacción de condensación con aldehídos o cetonas, en presencia de catalizadores ácidos o alcalinos. En 1928, Trickey y Minen establecieron que el alcohol furfurílico al ser calentado hasta 170 °C o al elevar la temperatura hasta 80 °C, en presencia de 0,1 % de un ácido mineral, forma un producto oligomérico . Sin embargo, a pesar de existir una inmensa cantidad de polímeros furánicos solamente han encontrado aplicaciones industriales los productos de condensación del furfural con la acetona, los polímeros del alcohol furfurílico y modificaciones de éstos con otros compuestos oligoméricos .

451

IOLtMEROS FURANICOS

Si se varían las proporciones molares de furfural y acetona es posible obtener otras relaciones de mono y difurfurilidenacetona, las cuales darán lugar a polímeros de diferentes propiedades físico-mecánicas y químicas . La síntesis de los productos oligoméricos de las furfurilidenacetonas se efectúa de la siguiente manera : en un reactor enchaquetado, provisto de agitador y condensador de reflujo, se adicionan las cantidades necesarias de furfural y acetona, y se agitan durante 10 min y posteriormente, a la mezcla se le adiciona el catalizador (solución a 20 % NaOH) . Esta reacción es fuertemente exotérmica por lo que es necesario enfriar el reactor, haciendo pasar agua a través del enchaquetado, a temperatura de 10 - 14 °C. La temperatura óptima para la reacción exotérmica está entre 47-52T . Después de terminada la reacción exotérmica, la masa reaccionante se calienta hasta 86-96T y se mantiene en este rango de temperatura por un tiempo de 6 h, seguidamente se enfría hasta 25-30T

2 Métodos de síntesis de polímeros furánicos, de extendido uso industrial

2.1 POLIMEROS DERIVADOS DE LAS FURFURILIDENACETONAS Los polímeros del tipo furfurilidenacetona han sido aplicados en diversas ramas de la industria química y de la construcción . A continuación se estudiarán las distintas reacciones de formación de los monómeros y los métodos de síntesis de uso más frecuente. Como se señaló anteriormente el furfural es capaz de reaccionar con la acetona obteniéndose monómeros polifuncionales . La monofurfurilidenacetona y la difurfurilidenacetona (Fig. 252) se obtienen, por reacción del furfural con la acetona, en presencia de un catalizador alcalino, ya sea en medio acuoso o alcohólico . 0 -C-S

+

0 -CH .CH-C-CH3 +

(CH3 ) 2C0

Fig.

251

Formación

de

monofurfurilidenacetona.

0 -C-H

+

(CH3 ) 2C0

Fig . 252

Formación

Ro_~

Composición en tantos por ciento de los productos de la reacción del furfural con la acetona en relación molar 1:1 Monofurfurilidenacetona Difurfurilidenacetona Oligómeros Furfural libre

65-70 20 .25 2-5 1

Agua

0,5-1,5

Contenido de cenizas

0,1-0,4

CH " CH] 2CO ,

+

2 320

de difurfurilidenacetona .

Cuando este proceso se efectúa en cantidades equimoleculares de furfural y acetona, se obtiene una mezcla de productos de reacción el cual se muestra en la tabla 254. TABLA 254

H20

y se adiciona solución de ácido sulfúrico a 30 % hasta pH entre 4 - 6. A continuación se separa la fase acuosa y se seca la fase orgánica bajo presión reducida . El esquema tecnológico de la producción de oligómeros de las furfurilidenacetonas se muestra en la figura 253. El producto obtenido es un líquido de color carmelita oscuro o negro, insoluble en agua y soluble en acetona, tolueno, etanol y otros disolventes orgánicos, de densidad a 20 °C, superior a 1,09 g/cm3 y pH del extracto acuoso entre 4 y 6. El tiempo de gelificación a 180 °C, en presencia de ácido bencenosulfónico a 3 °/s debe ser inferior a 90 s. Estos oligómeros se utilizan para obtener polímeros con diferentes especificaciones, en dependencia de las composiciones relativas de monofurfurilidenacetona y difurfurilidenacetona. Para el proceso de endurecimiento de estos oligómeros se utilizan catalizadores iónicos tales como, ácidos orgánicos e inorgánicos, halogenuros de metales, etc.

45 2

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZULAR

Fig. 253 Esquema tecnológico para la producción de oligómeros del tipo fur. furilidenacetona . 1 . Tanque enchaquetado para destilar furfural. 2, 6 y 8. Condensadores. 3. Recipiente colector de furfural. 4. Dosificador de catalizador. 5. Reactor de síntesis. 7. Tanque enchaquetado . 9. Dosificador de ácido para neutralizar.

El proceso de formación de estos polímeros ha sido muy estudiado por diferentes autores en los últimos años, pero hasta el presente no se han encontrado mecanismos y explicaciones adecuados para la diversidad de incógnitas que existen en este proceso . 2.2 POLIMEROS DERIVADOS DEL ALCOHOL FURFURILICO El alcohol furfurílico es un líquido incoloro, de temperatura de ebullición 170 °C, densidad igual a 1282 g/cm3 e índice de refracción n20 = 1,48515. Este producto es soluble en agua, en todas proporcione4, es muy soluble en la mayoría de los solventes orgánicos, exceptuando las parafinas . En el laboratorio, el alcohol furfurílico se puede obtener a partir del furfural mediante la reacción de Kannizaro . Industrialmente, el alcohol furfurílico se obtiene, por hidrogenación catalítica del furfural, por métodos continuos y discontinuos, en fase líquida o en fase vapor . Los procesos continuos de hidrogenación de furfural son mucho más eficientes que los discontinuos . El Instituto de Investigaciones de la Industria del Plástico de la URSS, propone un proceso continuo de hidrogenación de furfural para la producción de alcohol furfurílico, el catalizador utilizado es la cromita de cobre (mezcla de CUO y CUCrA04 en proporciones de 1 :0,7), estabilizado con 10 "io de óxido de metales alcalinotérreos . El catalizador se utiliza

en forma de tabletas de 4 X 4 mm, las que contienen de 3 - 5 % de grafito . La reacción se efectúa a presión de 100 atm y temperatura de 95 - 100'C. Por este método se obtienen hasta 95 % del valor teórico . Aunque el alcohol furfurílico polimeriza rápidamente por acción del calor, son utilizados, usualmente, diversos catalizadores tales como ácidos y á-alúmina . La polimerización del alcohol furfurílico en presencia de catalizadores ácidos, se explica por la deshidratación intermolecular entre el hidroxilo de una molécula y el hidrógeno activo en la posición 5, del anillo de otra molécula, como se muestra en la reacción que aparece en la figura 254. La deshidratación también puede ocurrir por reacción entre 2 grupos metilol para formar éter furfurílico como se muestra en la reacción que se ve en la figura 255. Un polímero típico de alcohol furfurílico se presenta, éntonces, como se muestra en la figura 256. Se supone que n es mucho mayor que m. Algunos de estos oligómeros se han separado de los productos de reacción por destilación al vacío o por cromatografía de gases, y sus estructuras se identificaron por técnicas de espectrometría de masa, espectrometría infrarroja y resonancia magnética nuclear . También se ha determinado la existencia de otras reacciones . Por ejemplo, la producción de formaldehído en este proceso, se debe, presumiblemente, a la des-

453

POLIMEROS FURÁNICOS

+

H

-CH2 -OH

-CH

2-

0 \ -CH20H + H20 0

-(CH2- / \ )m-CH2O

-CH

OH

2-

Fig. 254 Deshidratación intermolecular .

+

_CH

2-

OH

H

0

-CH2 o-CH2 -

Fig. 255 Formación de éter furfurílico.

Or

1~ cx2 -

0

~n

cx2_o_cx2-((CH2oH)0 6 1 0

Fig. 256 Polímero, típico del alcohol furfurílico.

composición térmica de las estructuras que aparecen en la figura 257 . El compuesto difurfurilmetano se ha identificado, positivamente, en polímeros de alcohol furfurílico y se presume que sea el resultado de la reacción de degradación del éter furfurílico o del 5 furfuril alcohol furfurílico .

La formación de estructuras tridimensionales, es el estadio final del proceso de polimerización del alcohol furfurílico, lo que da lugar a la aparición de productos sólidos infusibles e insolubles . De acuerdo con investigaciones realizadas el formaldehído producido, mediante reacciones colaterales, da origen a reacciones + CH 2 0

-CH 2OH

-CH 2 -0-CH2 Fig. 257 Formación de formaldehído.

Bajo ciertas condiciones de acidez en medio acuoso se puede lograr la ruptura del anillo furánico del alcohol furfurílico, a través de una serie compleja de reacciones, lo que da lugar a la formación de ácido levulínico, como se indica en la reacción que se muestra en la figura 258 .

de entrecruzamiento, con formación de estructuras reticuladas . También se presume que la apertura de los dobles enlaces del anillo furánico contribuyen, de una manera notable, a la formación de estructuras entrecruzadas . Una posible estructura 0 n

0

H

CH3 -C-CH2 -CH 2 -C-OH Fig. 258 Ruptura del anillo furdnico.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

454

O ;o-CH2 -

- CH2

H2C -

CH2 0 C11

2

- (:"2 0

0

Fig. 259 Apertura de los dobles enlaces del anillo furdnico . de la macromolécula reticulada se representa en el esquema que se muestra en la figura 259. Los productos de condensación del alcohol furfurílico en los primeros estadios del proceso de polimerización, están formados por cadenas poliméricas lineales de bajo peso molecular, los cuales tienen la apariencia de un líquido viscoso de color ambarino. Estos productos de bajo peso molecular son solubles en muchos disolventes orgánicos, tales como : benceno, acetona, alcohol, etc . La viscosidad de estos productos aumenta a medida que se incremente el número de anillos furánicos en la cadena polimérica y la solubilidad disminuye a medida que ocurre el proceso de oligomerización ; por estas características es posible conocer hasta qué grado se ha llevado a efecto la reacción. Los productos de bajo peso molecular de la homopolimerización del alcohol furfurílico dan lugar a la formación de polímeros infusibles e insolubles, por la acción de catalizadores ácidos a temperatura ambiente u otras temperaturas . En calidad de agentes reticulantes se emplean ácidos orgánicos e inorgánicos y halogenuros de metales . La producción de oligómeros derivados del alcohol furfurílico se compone de 3 procesos fundamentales : condensación, neutralización y secado . El proceso de síntesis se realiza según el esquema tecnológico que se muestra en la figura 260, y se utiliza la siguiente técnica ope-

ratoria . En un reactor provisto de agitación y condensador de reflujo se añaden 10 partes de alcohol furfurílico por cada parte de agua, se agita la mezcla formada y 'se eleva la temperatura hasta 85°C. Después de alcanzada esta temperatura se detiene el calentamiento y se adiciona el agente catalítico (anhídrido maleico) en cantidad de 0,04 partes del mismo por cada parte de agua . La reacción exotérmica transcurre de manera enérgica, la masa reaccionante se eleva hasta 95-100 °C, donde comienza a reflujar el agua presente en el sistema. Terminado el tiempo de reacción, se enfrla rápidamente y se neutraliza con solución de NaOH a 20 % . Posteriormente, se separa la fase inorgánica, y la fase polimérica se seca a presión reducida . Las características fisicoquímicas del producto final del proceso dependen del tiempo de reacción . Las propiedades del producto final para un tiempo de reacción de 10 min se exponen en la tabla 255 . Los productos poliméricos derivados del alcohol furfurílico tienen diversas aplicaciones en la industria, los cuales serán tratados, posteriormente . 2.3 OTROS POLIMEROS DERIVADOS DEL ALCOHOL FURFURILICO Además de los polímeros obtenidos por homopolimerización del alcohol fufurílico, tienen

455

POLTMEROS FURANICOS TABLA 255 Propiedades del producto final Viscosidad (cp) a 20 °C

7 836

pH

7,0

Densidad a 20 *C

1,23

Peso seco (%)

78,2

Alcohol furfurtlico libre (%)

14,2

Contenido de ácido levulinico (%)

12

Ce .66

3,5

H,P04 (40)

13

110

0,6

12,0

> 12

3,5

12

CD-55

H 3 PO4 (40)

88

0,8

4,3

> 12

4,0

H 3 PO4 (20)

14

Aglutinante

Resina (%)

Catalizador Vida de banco (wo) (min)

CD-43

73

0,7

10,0

> 12

3,0

CD-65

10

110

H3PO4 (30)

0,6

10,0

> 12

3,5

CS-300 Fursatil

H 3PO, (30)

11-15

0,4

12,0

> 12

CS - 300 Fursatil

2,5

PTS ññ (30)

10 .15

0,4

2,5

> 12

3,0

Furanicid VI

PTS (35)

12-14

0,8

9,7

18,5

3,0

H3PO4 (30)

12-14

Furanicid VII

0,7

10,0

16,5

2,5

H,PO, (15)

12-14

F-5

0,4

2,1

34

2,5

PTS (10)

F-5 (cromita)

12-14

0,4

2,0

29

2,5

PTS

10-12

se

(30)

PTS: ácido paretoluansulfónico .

Para eliminar esta adhesión se debe lubricar muy bien la matriz . 4.3 PROCESOS DE FABRICACION DE MACHOS POR ENDURECIMIENTO RAPIDO La fabricación de machos es, de todos los procesos de fundición, el que mayor evolución ha experimentado en los últimos 25 a. Sin embargo, cada nuevo procedimiento no ha supuesto la eliminación de los anteriores, sino más bien ha encontrado un campo de aplicación específico. Así, dentro de la misma fundición, podemos encontrar machos fabricados por procedimientos distintos según sea la forma, las dimensiones y la serie de piezas que se vayan a realizar . Los machos se pueden clasificar en 2 grandes grupos: los que endurecen mediante el suministro de calor y los que endurecen en frío . En estos últimos años, es notorio el auge alcanzado por los procesos de endurecimiento rápido, el más antiguo de los cuales se remonta a los años cincuenta, los avances más espectaculares se han efectuado en los últimos 10 a. Estos procesos de endurecimiento en frío se pueden clasificar de acuerdo con sus características en : 4.3.1 Proceso silicato-CO2 Las arenas aglutinadas con silicato de sodio endurecen por acción del dióxido de carbono .

El descubridor del proceso, indica que el endurecimiento era a causa de la reacción que se muestra en la figura 264 . El gel de sílice formado, actúa como cemento de unión entre los granos de arena . Según otros investigadores, el endurecimiento se produce a causa de que al aumentar la relación

S .02

Naz0 por formación de carbonato de sodio, aumenta la viscosidad, que es función del contenido de materia seca en el silicato de sodio. Un exceso de gaseamiento provoca la formación de bicarbonato de sodio, lo cual trae una disminución de la resistencia del macho . Este proceso cuyo desarrollo fue efectuado en la década de los años cincuenta, presenta notables ventajas : 1. Es rápido . Los machos y los moldes pueden ser confeccionados en pocos minutos . 2 . A causa de que el endurecimiento tiene lugar en cajas de machos, ésta puede ser simple y construida con materiales baratos . 3. No es necesario tratamiento térmico . 4. La exactitud dimensional es aceptable.

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

466

(Si02 )a1a2O-ME20

+

CO2

Me,2 CO3 " qu20

+

sí02 " PH20

Fig. 264 Proceso de endurecimiento del silicato de sodio, por la acción del dioxido de carbono. 5.

El

aspecto superficial es bueno.

6.

El

desprendimiento de gases es reducido .

Este proceso presenta varios inconvenientes a causa del método de endurecimiento, los que se relacionan a continuación : 1. Uno de ellos es la adsorción de humedad y del C02 del ambiente. 2. Los productos de la reacción de endurecimiento son inorgánicos y no se destruyen fácilmente por acción del calor. 3. Se producen dificultades en el desmoldeo . Para paliar estos inconvenientes se emplean varios aditivos. El más habitual es azúcar, que es añadido en porcentajes de 0,5 a 1 % . De esta forma se mejora la resistencia, la vida de uso y la destrucción del macho, después de ser utilizado en el proceso de vaciado . 4.3.2 Proceso no bake Con el objeto de encontrar sistemas de endurecimiento rápido, utilizando productos de fácil degradación, por el calor, se realizaron investigaciones con sustancias orgánicas, que dieron lugar a la aparición, en 1958, de un proceso en caja fría con polímeros furánicos . El endurecimiento se consigue por la acción de ácido sobre el aglutinante . En la actualidad, se utiliza como agente catalítico el ácido p-toluensulfónico y otros ácidos . En 1965, se introdujo el proceso alquilisocianato, el cual mezcla un aceite y un isocianato, y este sistema se cataliza con iones metálicos . En ambos sistemas, el endurecimiento es relativamente rápido y se necesita un tiempo de permanencia en la caja de machos antes de realizar el desmoldeo ; pues los machos no adquieren suficiente resistencia hasta pasados unos 10- 15 min. La "vida de banco" de la mezcla es muy corta y, por esta razón, estos sistemas son

aptos para ser utilizados en fabricación por disparos o por grandes series. 4.3.3 Proceso de caja fría (cold box)

La necesidad de encontrar un procedimiento rápido con compuestos orgánicos, fue el principal objeto de los investigadores hasta que, en 1968, se descubrió el sistema de isocianato en caja fría. El proceso de endurecimiento se produce por reacción entre un poliisocianato y un pollmero fenólico, catalizados por una amina terciaria, para dar lugar a un compuesto polimérico del tipo uretano, según la reacción que se muestra en la figura 265 . El catalizador se vaporiza en C02 y se inyecta a la caja de machos. La reacción de endurecimiento es muy rápida y el macho puede ser utilizado en el momento de su extracción de la caja. El proceso presenta notables ventajas: 1. El macho queda endurecido en un tiempo inferior a 1 min. 2. El macho tiene alta resistencia, sin presentar fragilidad . 3. Excelente exactitud dimensional. se producen deformaciones en el proceso de vaciado .

4.

No

5.

El desprendimiento de gases es bajo.

El proceso de desarenado se realiza con facilidad . Sin embargo, también existen algunos inconvenientes: 6.

1. La mezcla de arena-aglutinante se adhiere a la caja de machos . 2.

El poliisocianato y las aminas son productos tóxicos para el hombre, por estas razones se deben extremar los cuidados en su manipulación . 0 8 w -0-C-1- eo)

t 00 "" . ]to

Fig. 265 Endurecimiento del sistema de isocíanatos en caja fría

-R"

467

POLIMEROS FURANICOS

4.3.4 Proceso aglutinante furánico-SO2 El mecanismo de endurecimiento se basa en la reacción entre un producto polimérico furánico de alta reactividad, con una composición de alcohol furfurílico de 65 a 75 45, mezclado con un agente oxidante, catalizado por S02 gaseoso, inyectado en la caja de machos . Los pasos en la preparación del macho son los siguientes: 1. Mezclado de la arena con el producto polimérico y el oxidante . 2. Fabricación del macho. 3. Gaseamiento con S02 y endurecimiento inmediato . El tiempo de gaseamiento es pequeño, aproximadamente de 1 s/kg de macho . El porcentaje en peso, respecto a la arena, de aglutinante varia entre 0,8 - 1,8 % . El peróxido se emplea en cantidad de 50 %, en peso, respecto al aglutinante . 4.3.5 Proceso Gis" En 1969, se dio a conocer, en Leipzig, el proceso Gisac de endurecimiento rápido sin gaseamiento. La reacción de reticulación se basa en la acción catalítica de un ácido orgánico sobre productos poliméricos furánicos o fenólicos de alta reactividad . Los porcentajes de aglutinantes y catalizadores respecto a la arena son elevados : Aglutinante furánico 245 Catalizador orgánico 2-2,5% La originalidad del proceso consiste en el mezclado de la arena y el catalizador en un mezclador convencional . A continuación la arena pasa a una tolva situada sobre la máquina de disparar. Por un tornillo de Arquímedes se extrae la cantidad de arena necesaria para confeccionar el macho . Esta cantidad se introduce en un pequeño mezclador y se adiciona la cantidad de aglutinante requerida. Se mezclan los componentes por un período entre 2 y 10 s y la mezcla preparada es dispersada sobre la caja de machos. Los machos disparados pueden ser extraídos de la caja al cabo de 20-30 s y no adquieren sus características definitivas hasta 1/2 h después de su confección. Por sus características este sistema sólo es apto para ser disparado y no parece ser muy económico, a causa de los altos consumos de aglutinante y catalizador . 4.3.6 Proceso Fascold El proceso Fascold es semejante al Gisac y se comenzó a utilizar en la industria en el año

1971 . Este sistema consta de una máquina especial, cuya principal característica es que en ella se mezclan, por separado, parte de la arena con el aglutinante furánico y parte con el catalizador, uniéndose ambas mezclas en una cámara de reacción, de donde es vertida a la caja de machos. Por este procedimiento se pueden fabricar machos hasta de 54 kg y no es necesario dispararlos . El endurecimiento es regulable a voluntad, en función de los porcentajes de aglutinante y catalizador y varía entre 30 s y 3 min. Para el uso de los machos se deben esperar hasta 30 min después de sacados de la caja. 4.3.7 Proceso de caja tibia (warm box) Este proceso utiliza aglutinantes fenólicos o furánicos y un catalizador similar a los usados en los sistemas de caja caliente . La mezcla se endurece por el calor suministrado por una corriente de aire caliente e 150 - 220 °C, durante un tiempo aproximado de 20 s. Las cajas de los machos no se calientan a más de 40°C, por lo que se pueden utilizar cajas de machos similares a las de cualquier otro sistema en frío . 4.3 .8 Proceso Pep-Set Como extensión del proceso en caja fría apareció, en 1970, el proceso Pep-Set, en el cual la reacción dé endurecimiento es debida a la acción catalítica de una piridina alquilica, sobre una mezcla de un aglutinante fenólico, y un poliisocianato. La mezcla de arena presenta una buena fluidez. La "vida de banco" es casi 80 % del tiempo de endurecimiento, lo cual es una ventaja frente a otros sistemas (no bake). En el momento de extraer el macho de la caja, pese a estar endurecido, presenta una buena elasticidad, lo que permite elaborar machos de mayor complejidad . 4.3.9 Proceso Syn-Cure Este proceso se introdujo en la industria de fundición polaca alrededor del año 1972. En este proceso se utiliza un aglutinante que permite un desarenamiento rápido y fácil . El aglutinante está excento de humedad y no contiene, en su composición, nitrógeno, además el endurecimiento tiene lugar por el paso del aire a través del molde. El mecanismo de reticulación puede ser debido al arrastre de un componente muy volátil del aglutinante o bien por oxidación de compuestos orgánicos insaturados . La duración del gaseamiento depende del peso del macho, y varía entre 1 y 3 s a presión de 4 a 5 barlkg de mezcla . El porcentaje de aglutinante es alto, del orden

468

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

de 4 "io y el tiempo de vida de banco de 4 a 5 h. El macho adquiere sus características inmediatamente después del gaseamiento . La complejidad de la caja de machos y el elevado porcentaje de aglutinantes parecen ser los inconvenientes fundamentales del proceso . 4.3.10 Procesos en caja caliente hot box y Shell Process En estos procesos el mecanismo de endurecimiento de las mezclas de arena aglutinante se produce por la acción de un agente catalítico y por el suministro de calor a la plantilla . Los aglutinantes de mayor uso en estos procesos son de los tipos fenólicos y furánicos, así como modificaciones de éstos con urea y formaldehído, con el objeto de mejorar las propiedades de las mezclas . El proceso de caja caliente (hot box process) es una modificación del proceso de cáscara (shell process). Las diferencias entre ambos procesos son diversas . Los machos obtenidos por el proceso de cáscara son huecos, mientras que por el proceso de caja caliente se obtienen machos de núcleo sólido . En el proceso de cáscara el macho se obtiene por sopla do'de una mezcla!de arena-aglutinante seca. En los procesos de caja caliente las mezclas utilizadas son húmedas . Estos procesos son muy rápidos y permiten establecer grandes series de producción de piezas . Entre las desventajas primordiales se cuentan : 1 . Alto costo de las cajas de machos y equipos accesorios. 2. Desprendimiento de gases tóxicos durante el proceso de elaboración de machos . La existencia y aplicación de todos estos protesos señalados anteriormente, en la industria de fundición actual, nos indican fehacientemente que no se puede hablar todavía de la superioridad absoluta de unos sobre otros, sino que, por el contrario, cada uno de ellos tiene un campo de acción definido por los requerimientos de calidad y económicos del producto deseado . S Plásticos reforzados Los plásticos reforzados son un nuevo tipo de material de construcción . La estructura de los plásticos reforzados le confiere una solidez no adsequible por otros materiales de construcción. Esto es a causa de que la relación resistencia :peso es, en ocasiones, varias veces superior a la del acero, duroaluminio y otros materiales que poseen elevada resistencia . En esencia, estos materiales están formados por un

aglutinante polimérico y materiales de refuerzo, los cuales permiten crear formas o estructuras, cuyas propiedades son predecibles y controlables. Los plásticos reforzados han invadido casi todos los campos de la vida del hombre, desde artículos para deportes, hasta construcción de accesorios de la industria automotriz y aeronáutica. La combinación de polímeros y refuerzos que tienen buena resistencia a la temperatura, ha dado lugar a la utilización de los plásticos reforzados en aplicaciones tales como boquillas para mótores de cohetes, protección contra el calor en la superficie de entrada de los vehículos espaciales, como toberas y laminados para estruc . turas y semiestructuras, en los cuales los metales o laminados convencionales no presentan las propiedades necesarias . La capacidad de los plásticos reforzados de poder adquirir curvatura, se aprovecha para su aplicación en aeronáutica, automóviles, barcos, muebles, etc . Para el muldeo de este tipo de productos se emplean polímeros termoestables, el proceso se realiza en presencia de un catalizador o utilizando calor y una presión elevada . Como material de refuerzo se emplea fibra de vidrio, asbesto, papel y tejidos capaces de formar laminados . Estos materiales de refuerzo poseen una alta estabilidad, térmica y química . Entre los aglutinantes termoestables más empleados se encuentran el poliéster, los aglomerantes epoxídicos, urea-formaldehído, fenol-formaldehído, melamina-formaldehído y productos poliméricos derivados del alcohol furfurílico . 5.1 TÉCNICAS DE MOLDEO Los métodos de fabricación de plásticos reforzados son muy variados, pero, generalmente, se clasifican en: a) Fabricación manual . b) Moldeo con núcleo y matriz . c) Enrollado de filamentos . d) Fabricación continua. e) Moldeo por rociado . f) Otros procedimientos . Todos estos métodos de fabricación se emplean, en dependencia del aglutinante, el relleno y el tipo de objeto laminado que se desea producir.

469

POLIMEROS FURANICOS 5.2 . DEFECTOS FUNDAMENTALES DE LOS PRODUCTOS MOLDEADOS Se han encontrado varias clases de defectos en las piezas de plásticos reforzados obtenidas por los distintos métodos de moldeo. Estos defectos se clasifican, de acuerdo con sus características, de la siguiente forma: 5.2.1 Formación de ampollas Por lo general, consiste en un abultamiento redondeado producido por deslaminación en el interior del producto moldeado . Existen 2 causas probables : defectos de curado, en este caso las ampollas aparecen en áreas extensas, o bien se deben a vapores del disolvente, aire o humedad que pudieran estar ocluidos dentro del laminado . Para evitar los defectos en el curado, se debe aumentar el tiempo de moldeo o la concentración de catalizador. El refuerzo debe estar totalmente seco y se deben tomar medidas para eliminar los vapores cuidadosamente . 5.2.2 Agrietamiento Durante el curado del aglutinante pueden aparecer grietas . Estas se pueden localizar sólo en la superficie, o propagar al interior de la pieza moldeada . Entre las causas que producen este defecto podemos incluir el empleo de aglutinantes de alta reactividad, exceso de aglutinante y dificultades en el curado. En el caso de aglutinantes muy reactivos el proceso de curado va acompañado con la liberación rápida de calor. Las variaciones de temperaturas producidas, provocan contracciones o dilataciones en el material polimerizado, lo cual da lugar a grietas, aun en áreas con distribución uniforme de fibra de vidrio . Existen algunos procedimientos que se pueden emplear para contrarrestar estos defectos . Uno de ellos es reducir la concentración del catalizador, lo cual retarda la velocidad de la reacción exotérmica y el proceso de curado ocurre con una liberación de calor uniforme . Otra alternativa es la adición de una carga inerte, por este procedimiento se reduce la cantidad de material reactivo por unidad de volumen, y con ello el calor es también menor. 52.3 Zonas deficientes en aglutinante Se trata de zonas del moldeado en que el refuerzo no ha sido totalmente impregnado o bien de zonas que tienen poca concentración de aglutinante . Existen, también, otras causas : fluidez deficiente, gelatinización rápida, exceso de fibra de vidrio y débil retención . La fluidez

deficiente aparece cuando la presión no se aplica al laminado de manera uniforme . El remedio más sencillo es utilizar aglutinantes de menor viscosidad. La gelatinización rápida motiva la acumulación de aglutinantes en determinadas zonas, antes que todo el refuerzo se haya impregnado. Generalmente, se debe a un exceso de catalizador o a que la temperatura del moldeo era demasiado elevada . En las zonas en que existe exceso de fibra de vidrio, el movimiento del aglutinante es lento y la impregnación deficiente . Aun cuando la impregnación sea completa, la presencia de grandes cantidades de fibra de vidrio da lugar a protuberancias . La retención deficiente se comprende mejor estudiando los procedimientos de diseño del molde. Es importante que los anillos de retención de la matriz mantengan un ajuste perfecto, lo que proporciona una distribución uniforme del aglutinante en el laminado . 5.2.4 Zona de exceso de aglutinante En el moldeado existen áreas en las que aparece excesiva cantidad de resina, con muy poco o nada de material de refuerzo. Estas secciones se pueden agrietar durante el curado o fallar, rápidamente, al ser usadas las piezas . Por lo general se debe al mal diseño del molde. 52.5 Formación de oquedades Este fenómeno consiste en la aparición de agujeros regulares o irregulares en la superficie del moldeado, a causa de oclusión de aire en el laminado . Una buena compactación en el área del molde se consigue con presiones mayores con lo cual se logra un mejor acabado del producto final. 5.2.6 Alabeamiento La distorsión del moldeado después que han sido designadas sus dimensiones, se define como alabeamiento . Este defecto puede ser debido a una construcción desequilibrada, curado desigual o diseño deficiente . El caso de construcción desequilibrada es a causa de la distribución no uniforme de aglutinante y fib;as de refuerzo. Esto se explica por la diferencia que existe entre el coeficiente térmico de expansión del aglutinante y el del refuerzo. El alabeamiento se puede originar, también, por diferencias de temperatura en los lados opuestos del moldeado . Si el calor no se aplica por igual en ambos lados de la pieza, ésta tiende a doblarse hacia el lado que cura primero. Con respecto al diseño de las piezas es bien conocido que la superficie curva de las piezas

470

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

moldeadas, una vez curadas y frías, tienden a contraerse hacia una curvatura de radio menor . Este fenómeno ha de tenerse en cuenta para la curvatura de los laterales de cajas y el cerrado de tubos. 5.2.7 Agentes de separación El uso de agentes de desmoldeo es necesario en todas las fases del moldeo de plásticos reforzados para evitar que el material moldeado y el molde formen un solo cuerpo. Estos agentes se pueden clasificar de forma general en: 1 . Películas (agentes que forman películas) , celofán, soluciones de alcohol polivinílico, etcétera . 2. Materiales resinosos o aceites : ceras o siliconas en solución o emulsiones acuosas frotadas sobre el molde. 3. Materiales compatibles con el aglutinante líquido, pero incompatibles con el aglutinante curado. Agentes de separación inter na, tales como estearatos y organofosfatos . 4. Materiales pulverulentos, etc . Por consiguiente, un buen agente de desmoldeo para uso en plásticos reforzados consiste en un material que no es compatible con el aglutinante curado, ni con el material del molde . El agente ideal probablemente no existe, pero si existiera, debería poseer las siguientes características : a) Fácil de manejar . b) Estable al calor, -en el intervalo de temperatura que se trabaja. e) Resistencia a la oxidación .

chos plásticos . Cada material tiene sus propiedades particulares y específicas . El hecho de que los plásticos reforzados se puedan usar, con éxito, en una amplia variedad de aplicaciones, no quiere decir que se puedan utilizar sin discriminación para remplazar a otros materiales. Sería absurdo creer que los plásticos reforzados no tienen límite . Entre las principales ventajas y limitaciones de estos materiales se encuentran las siguientes : 5.3.1 Desventajas 1 . Todos los procesos de fabricación son lentos, comparados con los que necesitan el acero prensado o los metales en plancha . 2. Los costos de la resina y el vidrio son comparativamente elevados. Sin embargo, con frecuencia, esto es superado por el menor costo del equipo y por el menor trabajo de personal especializado. 3 . La rigidez de los plásticos reforzados no es muy elevada, comparada con la que tienen muchos metales . 4. Los aglutinantes furánicos tienen un color oscuro y cuando se curan, el laminado toma un color negro . El color limita las aplicaciones. 5. Estos aglutinantes son extremadamente sensibles a un efecto de sobrecatálisis y, a veces, reaccionan con violencia . 6. Es difícil mantener el tiempo de vida deseado en formulaciones de aglutinante-catalizador para cantidades grandes, a causa del aumento de calor que se produce, una vez catalizado el aglutinante furánico. 5.3.2 Ventajas

d) Incompatible con la mezcla del moldeo después de curada.

1 . Se pueden moldear formas de gran complejidad con extremada facilidad y bajos costos.

e) Capacidad para mejorar y adherirse a la superficie del molde.

2. Los plásticos reforzados tienen elevada rela. ción resistencia : peso .

f) Debe actuar disminuyendo la fricción entre el molde y la mezcla de moldeo, y de esta forma reducir las tensiones superficiales y las estrías en la pieza moldeada .

3 . Son extremadamente elásticos, no se abollan como los metales .

5.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS PLÁSTICOS REFORZADOS Con frecuencia, los plásticos reforzados han tenido una demanda excesiva, como otros mu-

4 . Proporcionan mayor libertad en el diseño que muchos otros materiales. 5. Los plásticos reforzados poseen buenas propiedades frente a los agentes atmosféricos . No se corroen y son resistentes al ataque de los hongos .

POLIMEROS FURANICOS

471

6. Los laminados furánicos no resultan afectados por cambios bruscos de temperatura y pueden soportar exposiciones a temperaturas superiores a 130°C. 7 . Los aglutinantes furánicos tienen excelente adhesión a superficies desiguales, tales como metal, vidrio, etc . 8. Los laminados furánicos, generalmente, poseen buena resistencia a la humedad, a los ácidos fuertes, a los álcalis y a otros agen tes químicos (excepto al ácido sulfúrico concentrado, al ácido nítrico y a otros agentes oxidantes fuertes) . 9. Los aglutinantes furánicos tienen un precio moderado . En la tabla 265 se comparan las propiedades físico-mecánicas típicas de los laminados elaborados con aglutinantes del tipo poliéster y del tipo furánico, reforzados con fibra de vidrio . TABLA 26,5 Propiedades mecánicas típicas de los laminados de poliéster y furánicos, reforzados con fibra de vidrio Poliéster

Furdnico

Resistencia a la flexión (kg/cm°)

4109

3500

Resistencia a la compresión (kg1cm2)

2 415

2 800

Absorción de agua (06 en 24 h)

0,13

Contenido de aglutinante (%)

38

Espesor (cm)

0,31

0,5 35 0,32

Los aglutinantes de tipo poliéster han encontrado un extenso campo de aplicación en la industria, a causa de que poseen muy buenas propiedades físico-mecánicas y químicas. Además, es posible lograr productos con una inmensa gama de coloraciones . El mayor volumen de uso de los aglutinantes furánicos está destinado a aplicaciones especiales en los cuales estos productos tienen excelentes cualidades, a causa de su alta estabilidad térmica y su casi perfecta estabilidad ante la mayoría de los agentes químicos . 5 .4 OTRAS APLICACIONES DE LOS POLIMEROS FURANICOS Cada día los químicos, en todo el mundo, descubren nuevos productos poliméricos furánicos

y encuentran aplicaciones a éstos en los diferentes campos de la ciencia y la técnica . Hoy día, se producen, industrialmente, polvos de moldeo furánicos, para la elaboración de productos prensados con buenas propiedades antifriccionantes y se fabrican lacas anticorrosivas furánicos de empleo en la industria química, a causa de su capacidad para formar películas de alta estabilidad térmica y química. Además, se producen pegamentos de carácter universal, ya que tienen excelentes propiedades adhesivas sobre la inmensa mayoría de los materiales . También se ha trabajado en la síntesis de polímeros derivados del tetrahidro furano, los cuales presentan magníficas propiedades físico-mecánicas, especialmente a bajas temperaturas. El futuro desarrollo de la producción de furfural en nuestro país permitirá contar con cantidades considerables de esta materia prima, fundamentalmente, para la síntesis de productos furánicos poliméricos, los cuales, a nuestro juicio, tienen un amplio campo perspectivo de aplicación, dadas las condiciones climatológicas del país y el desarrollo futuro de nuestra industria química .

6 Técnicas de seguridad del trabajo en la producción de polímeros furánicos. Protección del medio o ambiente

La toxicidad de los polímeros furánicos se determina por las propiedades de los monómeros no polimerizados (furfural, alcohol furfurílico, acetona) y de los productos de bajo peso molecular obtenidos en el proceso de condensación . Los productos monoméricos derivados de las reacciones de condensación del furfural con la acetona son sustancias tóxicas . Durante la intoxicación con estos productos se desarrollan cambios en la circulación sanguínea y en el sistema nervioso central . En investigaciones patológicas con animales, se observó afectaciones en el hígado, los riñones y los pulmones. Los monómeros de las furfurilidenacetona son capaces de penetrar a través de la piel al ponerse en contacto con ésta. El efecto tóxico del furfural y los monómeros de las furfurilidenacetonas son análogos, sólo se diferencian en el gradó de afectación. El furfural y la acetona presentan peligrosidad para las personas durante el proceso de producción y aplicación de los polímeros derivados de las furfurilidenacetonas. El furfural es un veneno, la intoxicación con este producto provoca sudores y parálisis . El umbral de percepción del olfato es de 1-1,5 mg furfural/ms aire. La permanencia en una atmósfera contaminada con furfural en concentración de 500 mg/m3

472

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

da lugar a irritación de las mucosas nasales y ligeras náuseas. Por la acción continuada de vapor de furfural en concentraciones de 7 - 53 mg/m3 , se observa conjuntivitis, afección en las mucosas de las vías respiratorias, con una reducción de la respiración, así como afectaciones en los órganos digestivos . Es posible también la aparición de excemas y dermatitis . La concentración permisible máxima de furfural en el puesto de trabajo del operador es de 10 mg/m3 y de 0,5 mg/m 3 , en las áreas colindantes. El alcohol furfurílico, en dosis pequeñas, estimula la respiración, en dosis superiores, dificulta la misma, provoca mareos, náuseas y disminuye la temperatura del cuerpo . La concentración máxima permisible del alcohol furfurílico es de 200 mg/ms. En la producción y aplicación de todos estos productos es necesario tener una extremada precaución con el cumplimiento de las normas técnicas de seguridad y protección del trabajo.

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Capítulo XVIII BIOACTIVOS RITA

BARTROLf

LAURA

1 Introducción El anillo furánico fue detectado por primera vez por Scheele como componente estructural del producto obtenido por destilación seca del ácido múcico, este producto fue nombrado, por esta razón, ácido piromúcico. Posteriormente, Dobereiner obtuvo, durante la preparación del ácido fórmico, a partir de la acción del ácido sulfúrico y dióxido de magnesio sobre azúcares, un líquido de olor penetrante, el que por oxidación con óxido de plata fue transformado en el ácido piromúcico, demostrándose así las características de aldehído de este líquido, que se nombró furfural. Simultáneamente, Ulrich, media4te el tratamiento del furfural con potasa alcohólica, obtuvo también ácido piromúcico o ácido furoico y, en 1873, fue demostrado que en esa reacción se obtiene, adicionalmente, un tercer derivado furánico, que presenta características de alcohol, y se le nombró alcohol furfurílico . El furano había sido aislado, por primera vez, en 1870, por Lempricht, por calentamiento de la sal de bario del ácido furoico con soda lime . De esta forma se conocía de la interrelación entre estos derivados, pero no se había llegado a dilucidar su estructura, numerosas investigaciones realizadas sobre la base de la reactividad de estos compuestos fueron necesarias, para llegar a establecer que el anillo furánico es un ciclo pentagonal de 4 átomos de carbono, 4 átomos de hidrógeno y 1 átomo de oxígeno (Fig. 266) .

Fig. 266

Anillo furdnico.

En estudios realizados por difracción electrónica, se demostró que el. furano posee estructura planar y que las longitudes de enlace entre los átomos que integran el ciclo no son las correspondientes a enlaces puros . Se estima, por ejemplo, que el enlace C-O tiene, apro-

LAME

IZQUIERDO

ximadamente, ± 5 vio de carácter de doble enlace, así como la distancia entre los átomos de carbono 0 es menor que la correspondiente al simple enlace . Estas evidencias llevaron a proponer el anillo furánico como un híbrido de resonancia entre varias estructuras contribuyentes (Fig. 267) .

Fig. 267

Estructuras resonantes del anillo furdnico.

Estudios por espectroscopia de Raman e in. frarroja (IR), el cálculo del momento dipolo y el de la susceptibilidad magnética y la absorción en las regiones ultravioleta (UV) y visible, así como los resultados de la difracción electrónica, demuestran que la molécula de furano puede ser descrita como un rotor simé. trico con 2 momentos de inercia iguales .

2 Peculiaridades del anulo furánico en cuanto a reactividad 2.1 PROCESOS DE ADICION Y DE SUSTITUCION El anillo furánico puede ser visto como un éter diénico cíclico, estabilizado por resonancia . De acuerdo con esto, los furanos exhiben propiedades asociadas a éteres vinílicos, dienos conjugados y de compuestos aromáticos, las que se ven, en mayor o menor grado, en de. pendencia de los grupos sustituyentes. Esta posibilidad de reaccionar en diferentes direcciones (polifuncionalidad), en forma competitiva, es, en muchos casos, la causa de los bajos rendimientos que se reportan en la mayoría de las reacciones de la serie furánica : - El furano y sus homólogos más simples, de igual forma que los éteres vinílicos, sufren reacciones de ruptura en medio ácido acuoso, aunque a causa de la elevada energía de estabilización del núcleo

475

BIOACTIVOS

la reacción de sustitución electrofílica, característica de ciclos aromáticos . Esta situación también se observa para la reacción de halogenación .

furánico esta reacción es, en general, menos susceptible en comparación con los éteres . De forma análoga a las olefinas, el furano puede sufrir reacciones de adición, así se conocen aductos del tipo Diels Alders, para algunos furanos simples, que indican que la actividad donor electrón en el núcleo es similar (aunque algo menor) que la que exhiben el butadieno, el ciclopentadieno y sus derivados (Fig. 268) . A partir del aducto del furano (R = H) y el anhídrido maleico, se obtiene el Endotal, herbicida y defoliante comercial . R

R C=C

R

3 Reacciones de nitración, halogenación, alquilación y clorometilación . Algunas consideraciones Las reacciones de sustitución comúnmente asociadas a los compuestos aromáticos, han sido aplicadas a los compuestos furánicos con resultados variados . Las condiciones de reacción em-

0 C-C

\

0

C=C\ R

0

i -C~ R

R

i\

C A 0

0

(R . R, o alqui1)

Anh. del Acido 7-oxabiciolo

(2-2-1-heptano-5-2-3-dicarbdnioo) Fig. 268 Formación de aductos. La actividad como dieno del núcleo furánico, también se ve disminuida por la introducción de grupos electroaceptores, así, por ejemplo, en el furfural no se manifiesta esta reacción aun cuando se trate con compuestos dienófilos fuertes . Sin embargo, bajo ciertas condiciones, se ha demostrado que el furfural puede presentar actividad como dienófilo, así el furfural adiciona, lentamente, 2 moléculas de butadieno para formar un líquido de características aldehídicas, que posee fuerte actividad como repelente de insectos, herbicida y defoliante y que se ha comercializado como el MGK-Repelente 11 . La reacción de sustitución electrofílica en el furano y sus homólogos, muestra, casi exclusivamente, orientación a cuando estas posiciones no están ocupadas . Es interesante destacar aquí los trabajos de Hillers y Venters para la nitración del furfural, en que se plantea que ésta tiene lugar mediante un mecanismo de adición-eliminación, haciendo manifiesta así sus características olefínicas ; paralelamente, en esta reacción, se detectaron también los compuestos intermediarios típicos de

pleadas con éxito en compuestos de la serie homocíclica, han resultado inadecuadas para la serie heterocíclica, y, en especial, para los derivados furánicos, a causa de que, en este caso, existen para el núcleo múltiples posibilidades de reacción, esto es una polifuncionalidad, que determina la existencia de reacciones colaterales que producen cantidades considerables de otros productos de reacción, así como también la producción de compuestos poliméricos . Como consecuencia de esto, se hace necesario ajustar las condiciones de reacción en estos casos, con el objeto de minimizar la producción de compuestos secundarios . Las reacciones de sustitución electrofílica más estudiadas para el anillo furánico son la de nitración, la de alquilación y la halogenación . 3.1 NITRACION La nitración del furano se llevó a cabo, con éxito, sólo cuando se trabajó a bajas temperaturas y en condiciones anhidras . Generalmente, en presencia de anhídrido acético, el que sirve no sólo como agente deshidratante y diluyente, sino que toma parte en la reacción, se ha demostrado que la especie nitrante más efectiva en la mezcla del ácido nítrico fumante, anhídrido acé-

476

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

tico y ácido sulfúrico, es el nitrato de acetilo, el que se adiciona al anillo furánico, formando un compuesto de adición intermediario, el que por neutralización elimina una molécula de ácido acético, produciéndose así el nitro furano (Fig. 269) .

prácticamente insolubles en agua y presentan gran efectividad biológica . Los derivados 5-nitro furánicos han demostrado amplias posibilidades de aplicación a partir del momento en que Pood y colaboradores descubrieron su actividad biológica ; entre ellos se han encontrado importan-

0 w 33C - C-Cl02

Fig. 269 Nitraci6n del furano.

Estos planteamientos han sido comprobados mediante el aislamiento de este aducto. Así, en el caso de la nitración del furfural, éste es un compuesto relativamente estable que ha sido estudiado, posteriormente, por métodos espectroscópicos y cromatográficos . Otros ejemplos de aislamiento de estos intermediarios de adición en la nitración de furanos, son conocidos y, recientemente, en nuestros laboratorios, fue posible aislar el compuesto de adición, durante la nitración de la N-furfuril ftalimida obtenida por la acción del anhídrido ftálico sobre la furfuril amina. La nitración de la ¡mida fue realizada a bajas temperaturas con mezclas de anhídrido acético-ácido nítrico fumante, utilizando ácido sulfúrico en cantidades catalíticas . La técnica operatoria seguida fue semejante a la descrita para la nitración del furfural y el producto intermedio fue aislado por precipitación de la mezcla antes de la neutralización. Este resultó ser un sólido blanco estable, cuya estructura fue establecida por comparación de los datos espectroscópicos de los productos obtenidos (Figs. 270 a 272) . Del análisis de los resultados espectroscópicos se pudo concluir, que aún antes de la neutralización, se habían producido cantidades del producto de sustitución (derivado 5-nitro furánico), lo que evidencia que, bajo estas condiciones, existe, adicionalmente, la posibilidad de sustitución electrofílica directa al anillo, en un mecanismo típico de los compuestos aromáticos ; estos resultados coinciden con los obtenidos por Venters en su estudio sobre la nitración del furfural . Podríamos generalizar para la reacción de nitración de furanos el esquema que se muestra en la figura 273 en el que se plantean todas las vías a través de las que es posible obtener el 5-nitro derivado, cuando se emplea anhídrido acético, esto es cuando en la mezcla nitrante hay cantidades de nitrato de acetilo . Los derivados 5-nitro furánicos son, en general, productos sólidos con coloración amarillenta a blanca, que se oscurecen por la luz, son

tes medicamentos de uso humano y veterinario . De amplia utilización son los compuestos de esta clase que incluyen el furacilín, furadonín, furazolidona, furagina, furaguanidina, nitrofurileno y la furogalina, etc ., los que han sido aplicados, con éxito, durante decenas de años en la lucha contra infecciones en general, en oftalmología, ginecología, disenterías bacterianas, en infecciones del tracto urogenital, en tuberculosis, etc ., sin que se disponga de datos en que se determine la limitación de su uso por alteraciones incontrolables . 3.2 HALOGENACION Una importante también y no menos compleja reacción estudiada con profundidad para los compuestos furánicos, es la de halogenación. A causa de la naturaleza insaturada de los furanos, es posible lograr la obtención de derivados por adición y por sustitución, mediante la acción de halógenos, específicamente cloro y bromo. Cuando se hace reaccionar un compuesto furánico con bromo, la reacción, con toda probabilidad, ocurre a través de un mecanismo de 1,2 adición (Fig. 274) . Este compuesto, en el caso de los ésteres del ácido furilacrilico, sufre espontáneamente una dehidrohalogenación, a través de un mecanismo de 1,4 eliminación, con formación de 3(5-bromo-2) furilacriléster . Se conocen otros ejemplos de formación de compuestos de adición por la halogenación de furanos y, en general, es posible plantear que sea estable o no el producto de monohalogenación, esto es, su transformación en el derivado halosustituido, la halogenación de los furanos transcurre, probablemente, a través de un intermediario común por 2 vías diferentes: una de adición y otra por sustitución . Por otra parte, la gran labilidad de los átomos de halógeno en los productos de adición, limita, grandemente, el medio de reacción, pues con facilidad estos átomos pueden sufrir intercambio con grupos hi-

N

Co

r

á

a a w

2 0

.E

v v

Á r 2

0 h

W em W

d 'C .5 u

L _O

V O

Z O V C N OG

w

480

LA INDUSTRIA-DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

tOH

_R

0

+

(no

CH3 -C-0-110 2

a

R O ~OCOCH3

t+)

OCOCH3

I

H /\0 ~\ R

02N - - - - - - - . J

- - - - - - - -

L.

- J

(II) Fig. 273

Fig. 274

Mecanismos de nitración de furanos simples.

Adición de bromuro al anillo furdnico.

droxilos y acilos, entre otros; es por esto que los solventes empleados, en general, son de baja polaridad (tetracloruro de carbono, cloroformo, bisulfuro de carbono) y, en ocasiones, no se emplea solvente. Los halofuranos pueden ser obtenidos a partir de compuestos furánicos que posean grupos sustituyentes que puedan ser intercambiados con átomos de halógeno. Así, por ejemplo, el grupo carboxilo del ácido 2-furoico puede ser reemplazado por halógeno . El 2-iodo furano se obtiene por calentamiento en medio alcalino acuoso del ácido 2-furoico con iodo, en presencia de ioduro de potasio y de la misma forma el 2,5-dffodo furano se produce a partir del ácido 2,5-furandicarboxílico ; esta misma situación ocurre para el ácido 5-bromo 2-furoico, obteniéndose, cuando se hace reaccionar con bromo en medio alcalino, el 2,5-dibromo furano . Los derivados monohalogenados del furano son líquidos de olor agradable, generalmente incoloros, ligeramente solubles en agua, sufren resinificación lenta por almacenamiento, adqui-

riendo cierto color ámbar, son fácilmente oxidables con el oxigeno del aire y en contacto con ácidos minerales, en solución acuosa, sufren resinificación completa . Los 2-halofuranos, presentan también efectividad como compuestos biológicamente activos, así el 2-bromo furano fue caracterizado por su acción larvicida ya desde el año 1922 por Bishopp. La halogenación del furfural y de algunos de sus homólogos, y la posibilidad de intercambio de halógenos, ha sido objeto de estudio de nuestros investigadores . Mocelo, continuando sus estudios, ha logrado establecer las condiciones de intercambio del átomo de halógeno presente en el ciclo furánico por los restantes miembros de la serie, dándose la posibilidad de obtener, con extrema facilidad, los derivados 5-cloro, 5-bromo y 5-iodo furánicos con buenos resultados, en condiciones de reacción perfectamente controlables . Una interesante reacción de halogenación del furfural, actualmente estudiada en nuestras instituciones, es la obtención de ácidos mucohálicos, importantes derivados intermediarios en la síntesis de derivados de acción biocida, uno de los cuales se emplea, con éxito, como herbicida en plantaciones de remolacha, la síntesis de este compuesto a partir del furfural establece la secuencia que se muestra en la figura 275.

481

BIOACTI VOS

-CHD

+

5 C12

+

+

3 H20 q1

=O

CO2

+

8 HC1 C1

+

Fig. 275 Obtención de piramina a" partir del furfural.

Los ácidos mucohálicos han tenido utilización no sólo como intermediarios de la síntesis de las fenazonas, también otros de sus derivados más simples presentan efectividad biológica, encontrándose que los derivados del ácido mutobrómico son más activos, en general, que los análogos del mucoclórico . 3.3 ALQUILACION A pesar de que la sensibilidad del anillo furánico a los ácidos de Lewis es elevada, la alquilación de los furanos, por el procedimiento tradicionalmente empleado para los compuestos aromáticos resulta inadecuada para los derivados aquí tratados, esto es a causa del hecho de que estos catalizadores aceleran también su resinificación, es decir, la reacción se hace incontrolable y no es posible aislar los derivados simples . En contraposición a lo anterior, en ocasiones, la reacción se detiene y existen cantidades del derivado furánico sin reaccionar; si se separa el catalizador, se ha visto que la resina formada bloquéa, superficialmente, el mismo, haciéndolo inefectivo, tanto para una como para otra reacción . El furano es capaz de formar con el tricloruro de aluminio, intermediarios de adición, los que son especies activadas representables como se observa en la figura 276.

H H ~

HA AIC13 0

\a

Fig. 276 Intermediarios de adición de furano-AICI~

Piraaina (Penasona)

Dichas estructuras presentan alta inestabilidad y es, entonces, fácil de prever que la reacción principal que tiene lugar para esta especie es la resinificación, es importante destacar que tamb°.én para el compuesto alquilado estas especies existen, lo que justifica el hecho de que aún cuando en condiciones controladas de reacción es posible aislar pequeñas cantidades del derivado alquilado, y gran cantidad de resinas, éstas han de estar formadas no sólo a partir de la resinificación del derivado no alquilado, sino también por los productos de polimerización de los derivados alquilados . De cualquier forma, se ha podido detectar que también aquí la orientación preferential es hacia la posición a del núcleo furánico. La obtención de derivados acilados, por Fríedel y Crafts, del furano y sus homólogos, es sin lugar a dudas, desde el punto de vista sintético, más exitosa que la alquilación, a pesar de que los rendimientos son ordinariamente bajos y las condiciones de reacción deben ser controladas ; en general, se emplean grandes cantidades de solvente con lo que se minimiza, en parte, el contacto del derivado furánico con el agente condensante, o se va adicionando el derivado furánico, gradualmente, a la mezcla del solvente y catalizador, en presencia del agente acilante, ya que a causa de la mayor estabilidad del acil derivado producido frente al ácido de Lewis, no es de esperar la pérdida de producto por resinificación . Con furanos sustituidos por grupos electroaceptadores, la tendencia electrodonora del núcleo se ve disminuida y, fundamentalmente, la interacción de estos derivados con los catalizadores de Lewis será por el grupo sustituyente . Así, por ejemplo, el furfural y el ateto furano forman complejos con el tricloruro de aluminio que pueden ser representados como se muestra en la figura 277. La formación de estos complejos es, efectivamente, la causa de que los derivados furánicos del tipo de los acil furanos y de los carboxifu-

482

LA INDUSTRIA DE LOS _DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZúCAR -.-

2,5 disustituidos predomina, incluso a partir de los complejos analizados, los resultados obteni. dos por Goldfars para la isopropilación del 2-metil furoato, nos dan la relación de isómeros que aparece en la figura 281. En la figura 281 se observa una mayor proporción del derivado 5 sustituido, a pesar de que debemos tener en cuenta que en las condiciones de reacción el derivado 5 sustituido se puede isomerizar hasta el derivado 4 sustituido, y que el compuesto 4,5 disustituido puede haberse formado por la alquilación del isómero 5 alquilado . Recientemente, investigadores soviéticos y checos, reestudiando los resultados de la reacción de isopropilación del furfural, planteada por primera vez por Gilman, han observado que bajo las mismas condiciones descritas por él, se detectan, en cantidades apreciables, productos de alquilación 4,5-di y 3,4,5-triisopropil sustituidos, además de pequeñas cantidades del 5-isopropil furfural, recuperándose, aproximadamente, 40 del furfural sin reaccionar (Fig. 282) .

C -8

Fig. 277 Complejo de adición de acilfuranos-AICI3.

ranos se alquilen, con éxito, por la acción de los haluros de alquilo en presencia de tricloruro de aluminio . El furfural produce los 5 alquil derivados cuando es tratado, por ejemplo, con los cloruros de butilo, isobutilo, terbutilo y amilo, aunque es de notar que los rendimientos no son elevados . Observe que también aquí la orientación predominante es la posición a desocupada. Uri. caso tratado como excepción, en cuanto a la orientación de la alquilación en el núcleo furánico, fue la isopropilación del furfural, para la que se planteaba la obtención como único producto de la reacción el 4-isopropil-2-furfuraldehído (Fig. 278) .

H3C

-Cilq

t

CH

H3C

\

H3C ~

CHCl

"1C

~~

H3C

Fig. 278 Isopropilación del furfural.

Del análisis del efecto desactivante del sustituyente en el complejo furfural-tricloruro de aluminio, se impone pensar en la posición 4 como la más favorecida para la sustitución eleatrofílica (Fig. 279) .

."" C " H

-C- H

Fig. 279 Estructuras

Como se observa en la figura 282 esta reacción no se detiene en la monosustitución y con toda posibilidad, el 5-isopropil furfural, es, al inicio, el principal producto del ataque .directo del agente alquilante, pero sufre más rápidamen-

resonantes del complejo furfural-AIC19.

Esto se cumple para otros heterociclos pentagonales, por ejemplo, para el tiofeno, se conocen reacciones de sustitución electrofílica, en general y de alquilación, en particular, en que la formación del complejo con ácidos de Lewis provoca una alta selectividad posicionel con respecto a la sustitución en la posición 4 del núcleo (Fig. 280) (Tab. 266) . Lo anterior parece fortalecer los resultados de Gilman, en la serie furánica. Sin embargo para los furanos la formación de los compuestos

te que el isómero 4-isopropil sustituido, posteriores alquilaciones que se ven . favorecidas bajo estas condiciones de reacción. De cualquier forma, la producción de pequeñas cantidades del derivado 4 sustituido, demuestra el fuerte efecto desactivante que la formación del complejo furfural-tricloruro de aluminio produce, haciendo mucho más electrofílico al anillo furánico, en general, hasta el punto de hacer que se logren colisiones efectivas en el ataque electrofílico a las posiciones P, teniendo el núcleo posiciones a desocupadas .

483

BIOACTIVOS

+

C- Re

C -1(o li 0 . Alc13

ó Fig. 280 Sustitución electroftlica en acil tiofenos . TABLA 266 Cantidades relativas de los 2 isómeros (%)

Sol.

E 1'sopropil

CS2

78-99

(CICH2)20

CHC12

99

1

94

6

AcCI

-

2

22 .1

.1

2

3

Fig. 281 Relación de isómeros en isopropilación del 1-meal furoato.

3

8 C

13C _ MID

z

No%

CHCI

83C~

AM3

a3á

sC

ñ3C

"CH

CII

113C' \

23C 83C

w 11

r

CIA S 13 /

(33

o

Fig. 292 Isómeros de ta isopropilación del furfural.

2

484

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

3.4 CLOROMETILACION La reacción de clorometilación es descrita por Bremer y Jones, los que trataron el furoato de metilo, trióxido de metileno y cloruro de cinc en cloroformo (Fig. 283) . o C -DCE3

(ca2D)3

+

aceptor (carbometoxi o dietil carbamoil), es posible utilizar ácido sulfúrico concentrado, sin detrimento sustancial de los rendimientos, ya que el derivado furánico presenta mayor carácter acidofóbico que el furano o que el furano sustituido por electrodonores ; para éstos el empleo

BDi Mo

Znc12

C13CE 3D-50C

e ~_250

200

kW .h

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR

100

v t

rc 0 J W O

é

A B

BO

60

40

20

0 .2

0,4 CARBON ACTIVADO (p)

Fig. 316 Isotermas de adsorción. A. Carbón activado de bagazo. B. Carbón comercial .

Con respecto a la textura del carbón activado de bagazo es valedero lo dicho en la evaluación de la tecnología de activación física, aunque, en este caso, se ha comprobado, en las instalaciones de filtración de refinerías de azúcar, que esta distribución del tamaño de partículas no ocasiona dificultades sensibles en la filtrabilidad del carbón, aunque se puede mejorar la distribución del tamaño de partícula con la disminución de la fracción menor de 40 pm y con el incremento de las fracciones de mayor dimensión, para acercarse a la distribución del carbón comercial que se reporta en la tabla 299, por ser éste, entre todos los importados y usados en Cuba, el que mejores resultados ha dado. El rendimiento de la materia prima, en esta tecnología, es unas cuantas veces mayor que el obtenido por activación física y es similar al obtenido con aserrín, como se puede observar en la tabla 297 . La densidad aparente del carbón activado de bagazo es similar a la del carbón activado de aserrín, con ello se logra superar la dificultad encontrada en el empleo de la activación física, aunque no se puedan explicar los mecanismos de este incremento de la densidadl aparente por el empleo de esta tecnología. En resumen, se puede decir, que mediante la activación química con ácido fosfórico se puede

obtener, a partir del bagazo de la caña de azúcar, un carbón activado que compite, en calidad, con los carbones activados que hoy día se comercializan en el mundo para la refinación de azúcar ; que con esta tecnología se superan los valores bajos para la densidad aparente y el rendimiento que se obtiene en activación física, y que la economía de este proceso está en el entorno reportado para cuando se utiliza aserrín como materia prima. Ruiz y Rolz reportaron la producción de carbón activado a partir de bagazo y cachaza en escala de laboratorio. La técnica operatoria consistió en una calcinación a baja temperatura con ácido sulfúrico, ácido fosfórico y cloruro de cinc como agentes activantes . Los valores de las características físicas del carbón obtenido se comparan con los de 2 carbones comerciales considerados como patrones para la adsorción en fase líquida . El carbón obtenido con bagazo y cloruro de cinc muestra un comportamiento cinético similar a los patrones. El carbón de cachaza activado con cloruro de cinc tiene tan alto contenido de cenizas que no se puede aplicar en fase líquida . El carbón de bagazo activado con ácido fosfórico ofrece mejores características que el activado con ácido sulfúrico . Como resumen se puede decir que todos los carbones obtenidos en ese trabajo tienen un

CARBON ACTIVADO A PARTIR DE LOS SUBPRODUCTOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

fue similar al carbón Norit usado como patrón . El contenido de ceniza es alto, pero no debe ofrecer dificultades por la escasa solubilidad del carbón activado. Ocampo informa de la producción de carbón activado granular mediante la activación con vapor en escala de planta piloto. El esquema del proceso es similar al de la figura 304 con la utilización de alquitrán como aglutinante, La carbonización se efectuó a 400°C, durante 4 h, en horno abierto (open flat), obteniéndose rendimientos de 27 % . El carbón tenía una densidad de 70 - 80 g/l y un contenido de cenizas de 10 % . Para la formación del pellet se mezcló 53 % de carbón con 40 % y 7 % de alquitrán y agua, respectivamente . Se formaron los pellets de 1,8 mm de diámetro a una presión de 80 atm. Posteriormente, los pellets se carbonizaron, en atmósfera de C02 , en horno rotatorio a 3 rpm. A la salida de la carbonización secundaria el pellet tenía la densidad de 523 g/l. En esta carbonización secundaria se tuvo un rendimiento de 62,5 % . La activación se llevó a cabo en horno rotatorio con vapor de agua, a una temperatura de 860 °C, durante 40 min, con una pérdida por combustión de 33 % . El carbón activado granular tenía una densidad de 510 g/1. El proceso global tiene un rendimiento de 11,3 %, muy superior a los reportados anteriormente por activación física. La densidad de 510 g/1 es similar a la de los carbones comerciales que se obtienen a partir de aserrín de madera . Tiene una alta resistencia a la atricción (90 vio mínimo), esta propiedad le confiere una dureza apropiada, tanto para su empleo en la industria, como para su posterior regeneración . En la figura 317 se muestra una fotografía de tamaño natural de este carbón . En las figuras 318 y 319 se muestran 2 microfotografías de este carbón activado, tomadas en el microscopio electrónico de barrido.

poder de descoloración más bajo que los carbones usados como patrón, y que los valores reportados para el área superficial están muy por debajo de lo esperado, según las condiciones de trabajo, probablemente esto se explique por. que el método de Giles y Trivedi, que fue empleado en esta determinación, da resultados mucho más bajos que los que se obtienen por los métodos clásicos de adsorción en fase gaseosa. 5 Producción de carbón activado granular 5.1 CARBÓN ACTIVADO GRANULAR A PARTIR DE BAGAZO, POR ACTIVACION FISICA El Departamento de Investigaciones Azucareras del ICIDCA reporta la obtención de carbón activado granular a partir de bagazo mediante la activación con vapor. Se empleó el esquema tecnológico clásico de la figura 304 usando fuel oil como aglutinante . La carbonización se realizó a una temperatura de 480 - 500 °C durante 4 h. El carbón obtenido tenía densidad de 45-48 g/1; en el proceso se obtuvo un rendimiento de 58 - 61 % . El contenido de ceniza en el carbón fue de 10 % . La "peletización" se realizó con 57 - 61 % de carbón, 35 - 37 % de fuel oil y 5 - 6 % de agua. La activación se llevó a cabo en una retorta horizontal rotatoria, a una temperatura de 800 - 900 °C, a diferentes pérdidas por combustión con el máximo de 52 % y con tiempos de residencia entre 170 y 190 min. La caracterización del carbón obtenido se muestra en la tabla 301 . El rendimiento total en el proceso fue de 7,3 % . Los autores comprobaron que reduciendo el carbón a fracciones de 40 ¡tm antes de la "peletización", se obtiene una mayor dureza en el pellet y en el carbón activado, posteriormente . El poder de descoloración del carbón activado

TABLA 301

Propiedades del carbón granular a partir de bagazo Pérdidas por combustión (%)

545

PH

Densidad aparente (911)

Solubles en 11,0 (%)

Poder decolo. rante (%)

6,0

280

13,5

100,0

Muestra

Ceniza (%)

1

13.0

4

21,6

53,8

9,3

220

1,2

100,1

Norit

24,3

55,5

10,2

215

0,6

104,0

Fig. 317 A. Carbón activado granular a partir del bagazo .

B. Fragmento ampliado de la foto anterior.

Fig. 318 Microfotografía electrónica del carbón activado de bagazo.

Fig. 319 Microfotografía electrónica del carbón activado de bagazo .

TABLA 302 Características de la estructura porosa del carbón activado granular de bagazo

Muestra

° (cm'g -1)

E

Densidad -1) (Hg)

Densidad V e VmicropcroVmacroporo (He) (cm'g - 1) (cm'g - 1) (cm'g ')

(klmoCarbón

activado de bagazo

0,220

30,00

0,830

2,100

0,729

0,064

0,352

Dezorex

0,239

31,30

0,835

2,000

0,698

0,100

0326

547

CARBON ACTIVADO A PARTttcu~ SOS SUBPRODUCTOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

Se impregnó el bagazo con 2,5 partes en peso de ácido fosfórico por cada parte de bagazo seco. El tiempo de impregnación fue de 5 h. La "peletización" se realizó a 100 atm, los pellets formados tenían 0,5 - 0,8 mm de diámetro y fueron presecados por 120 min, a 250°C, en atmósfera de COz. La calcinación posterior se realizó a 500 'C, por - 3 h, en horno rotatorio a 1,5 rpm . Finalmente, el carbón activado fue lavado y neutralizado con solución de hidróxido de sodio. El rendimiento total del proceso completo fue de 30 "io. El carbón activado tenía una densidad aparente de 500 g/l. En la tabla 303 se muestran los índices de consumo calculados para esta tecnología.

En la tabla 302 se reportan las características de la estructura porosa del carbón activado de bagazo de un carbón comercial de probable estructura similar. Las características energéticas son altas, esto quiere decir que este carbón es apropiado para adsorber a bajas presiones de equilibrio, muy apropiado para purificaciones en fase gaseosa y como retiene fuertemente las sustancias que adsorbe es, por lo tanto, de gran utilidad para la elaboración de filtros en caretas antigases . El volumen total de adsorción que toma valores del orden de Ve es característico para este tipo de carbón, similar situación tiene el volumen de los mesoporos y el de los macroporos. El volumen de los microporos que es aproximadamente alo se puede mejorar con la optimización de la activación, de esta manera, se hace más general el empleo de este carbón activado . La curva característica del benceno en este carbón activado se muestra en la figura 320, en ella se confirma que el mismo es indicado para la adsorción a bajas presiones de equilibrio, como se había visto anteriormente .

TABLA 303

Insumos básicos por tonelada de carbón activado 3

Bagazo (t)

1,8 a 1,2

Acido fosfórico (t) Energía eléctrica (kW . h)

900

Petróleo (t)

0,8

x

20'c +40 °0 " 60°c

20

ia

0

0,2

v (em3p-1 )

Fig . 320 Curva característica del benceno en el carbón activado granular de bagazo por vía física. 5.2CARBON ACTIVADO GRANULAR A PARTIR DE BAGAZO, POR ACTIVACION QUIMICA El carbón activado fue obtenido según el esquema de la figura 302 con ácido fosfórico como agente activante . El bagazo fue molido en molinos de bolas y se seleccionó la porción que pasaba por la malla 150 U. S. (0,150 mm) mezclándose con ácido fosfórico de 50 "io de pureza.

En la tabla 304 se reportan las características de la estructura porosa de este tipo de carbón activado granular de bagazo y para un carbón activado comercial . Se observa que las características del carbón activado de bagazo son similares a las del carbón comercial . Es frecuente encontrar el volumen de microporos, aproximadamente igual a wo en este tipo de carbón activado . Sus propiedades energéticas, que se pueden expresar por

54 8

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZi1CAR TABLA 304

Característica de la estructura porosa del carbón activado granular de bagazo

Muestra

E Densidad (cmag . i) (kJmo1-J) (Hg)

Densidad Va Vrnesoporo Vmacroporo (He) (cm°g - 1) (cm3g-1) (omzg -1 )

Carbón activado de bagazo 0,613

14,93

0,901

2,573

0,721

0,118

0,721

Norit RKOQ3 0,551

18,17

0,817

2,507

0,853

0,137

0,312

(E), indican que deben ofrecer un mejor com-

portamiento en la adsorción a altas presiones de equilibrio, es decir, cuando hay grandes concentrac ones de la sustancia que se desea separar por adsorción (adsorción de mezclas) . Las densidades con helio y mercurio están acordes con lo esperado en este tipo de carbón . El volumen de macroporos es alto, pero todavía está pendiente de concluir el análisis completo de la estructura porosa de este carbón . En la figura 321 se observa la curva característica para el benceno en este carbón activado, como era de esperarse, muestra una gran adsorción a presiones de equilibrio relativamente altas como se había seíialado .

5.3 CARBON ACTIVADO GRANULAS A PARTIR DE CELOLIGNINA, POR ACTIVACION FISICA En el Departamento de Investigaciones Azucareras del ICIDCA, se reportó el empleo de la celolignina como fuente de materia prima para la producción de carbón granular. La celolignina utilizada se obtuvo por hidrólisis ácida del bagazo de la caña, con temperaturas de 135 - 185'C, con módulo de humedecimiento de OS - 0,9 1/kg, simulando las condiciones en que se produce el furfural por el método directo catalizado por ácido sulfúrico. La celolignina se

x

30

20

1

x

+ "

"x

+

"x

x x +

" xx

20 0C 40 0C UPC

" x

lo

0 Fig. 321 Curva característica del bemeno en el carbón activado granular de bagazo por activación química.

549

CARBON ACTIVADO A PARTIR DE LOS SUBPRODUCTOS DE LA CAÑA DE AZOCAR lavó con el objeto de eliminar el ácido y los polisacáridos solubles residuales. En la tabla 305 se muestra la composición de la celolignina . TABLA 305 Composición de la celolignina

faal Sustancias solubles en alcohol benceno

4,70

Polisacáridos F.H.

1,32

Polisacáridos D.H.

23,81

Lignina Ceniza

23,80

La celolignina se "peletizó" en un granulador de placa perforada de 2,5 - 3 mm de diámetro con una humedad de 50-70 % . Los pellets se secaron a la temperatura de 80-90'C, hasta un contenido de humedad de 5 - 10 % . El estudio demos-

DENSIDAD (9/I)

tró que la humedad óptima para granular la celolignina es de 55 - 60 % . En la figura 322 se muestran las propiedades mecánicas de los pellets . Los pellets secos se carbonizaron en atmósfera libre de oxígeno, a una temperatura de 500. El resultado de l; i cai bonización se -700°C muestra en la tabla 306 . Como era de esperar, el incremento de la temperatura disminuye el rendimiento del carbón y se incrementa la formación de gases . En la tabla 307 se reportan las características de los carbones "peletizados" sin activar. Los autores emplean el término porosidad, para designar la diferencia entre el inverso de la densidad aparente con la densidad real, lo cual se puede aceptar para la valoración cualitativa que se persigue. Desde ese punto de vista, los resultados son compatibles con la teoría del desarrollo de la estructura porosa, ya que el aumento de 200 °C en la temperatura de carbonización, disminuye 60 % de materiales volátiles en el carbón e incrementa la porosidad calculada en 8 % ; sin embargo, en contradicción con lo esperado, el aumento de la temperatura no influye en la concentración de cenizas lo cual

K>0

500-

4sa

Osa

99 440,

9s

40050 HUMEDAD

(%)

Fig. 322 Propiedades físico-mecánicas de los pellets de celolignina .

DUREZA POR ATR1CIoN

55 0

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZÚCAR TABLA 306

Carbonización de la celolignina peletizada No.

Temperatura ('C)

Humedad (%)

Carbón

Rendimientos (%) Gases Alquitrdn

1

500

6,08

48,13

11,40

6,8

31,73

2

500

6,08

48,87

11,40

7,7

30,40

3

700

9,4

42,38

17,10

7,4

31,67

4

700

9,4

42,17

17,40

8A

28,53

Condensador

TABLA 307

Características de los carbones crudos Cenizas (%)

Muestra

Sustancias volátiles

Dureza atrición (%)

Densidad aparente (911)

Porosidad (1/9)

Carbonización a

500'C

16,96

8,01

99,8

468

402

Carbonización a

600'C

16,44

2,45

9915

456

494

se mantiene en el mismo orden. El rendimiento del proceso de carbonización es de 42 y 48 % para las 2 temperaturas de trabajo . En la tabla 308 se observa un incremento gradual de la porosidad hasta 1,3 cm' 9 - ' al aumen-

tar las pérdidas por combustión, lo que está de acuerdo con la teoría de la activación física. Para las mayores pérdidas de combustión se obtienen valores de porosidad similares que los que se reportan para los carbones de maderas.

TABLA 308

Propiedades del carbón activado

No.

Pérdidas por combustión (9'0)

Densidad aparente (8/1)

Densidad real (911)

Porosidad Capacidad total agua (cm,/9) (Cnl'/8)

Dureza por atrición (%)

0

-

549

944

0,402

0,446

99,8

1

10,00

615

922

0,475

0,461

99,5

2

57,27

396

657

0,996

1,027

99,5

3

70,00

365

632

1,082

1,150

98,8

4

73,35

338

563

1,284

1,286

97,4

0

-

604

1025

0,381

0,476

99,8

1

2,44

614

1002

0,413

0,481

99,7

2

60,13

403

727

0,913

0,967

9815

3

73,20

330

563

1,354

1,313

97,2

55 1

CARBON ACTIVADO A PARTIR DE LAS SUBPRODUCTOS DE LA CARA DE AZOCAR El contenido de ceniza es alto como se puede ver en la tabla 309, probablemente se pudo disminuir este índice mediante lavados ácidos o alcalinos . El poder de descoloración que se puede ver en la tabla 313 es bajo, pero eso no depende solamente de la estructura porosa como se indica en este trabajo, ya que al parecer dicha estructura se desarrolló de forma adecuada . De mayor importancia es el considerar que esos índices se midieron en fase líquida, caso en el cual la difusión prepondera sobre la adsorción, y el equilibrio depende de muchos factores, tales como : temperatura, radio de la partícula, etc., pero no se puede arribar a mejores conclusiones, ya que los autores no reportan los valores requeridos para ese análisis.

TABLA 310 Composición de la celolignina (%) Sustancias solubles en alcohol benceno

5,5

Polisacáridos F.H.

1,1

Polisacáridos D.H.

13,6

Lignina

53,4

TABLA 309 Poder decolorante de los carbones activados

Muestra

Temperatura de carbonización ('C)

Pérdidas por combustión (%)

1

500

57,3

30,6

56,3

45

2

500

70,0

31,5

69,0

55

3

500

75,0

32,6

71,4

55

4

700

60,1

26,8

66,2

60

5

700

73,2

44,3

78,0

60

Un resultado interesante de este trabajo es haber encontrado la posibilidad de "peletizar" la celolignina sin el empleo de aglutinantes, así mismo quedó demostrado, que por activación física con vapor, se obtiene una estructura porosa favorable a la adsorción, con un rendimiento total de 12 "io para las condiciones más drásticas de carbonización y activación. Estos resultados favorecen la instalación de plantas industriales de carbón activado a partir de la celolignina residual del proceso de producción de furfural, con las ventajas económicas que se derivan de la utilización de un residuo industrial como materia prima . En 1980, se realizó, en colaboración con el Ministerio de la Industria Química de la URSS, un trabajo experimental para optimizar el empleo de la celolignina residual en la producción de carbón activado . La composición de la celolignina residual se muestra en la tabla 310 . La composición que aparece en la tabla 310 es similar al residuo industrial de la producción

Ceniza (%)

Indice de melaza

Indice de azul de metileno

de furfural a partir de bagazo. La celolignina fue lavada con agua y moldeada en pellets de 4 mm, con 55 - 60 % de humedad, en un granulador de tornillo sin fin . La celolignina se carbonizó con rendimientos de 45-50 % . El carbón crudo se activó, progresivamente, con vapor de agua. Se alcanzó el Gost de la URSS para el poder de descoloración con una pérdida por combustión de 60 - 65 % . Las características del carbón activado se muestran en la tabla 311. En estas pruebas se obtuvo un rendimiento de 8-10 % de carbón activado en relación con la celolignina seca. Las propiedades químicas y fisicoquímicas cumplen con el Gost de la URSS, esto corrobora la posibilidad de combinar la producción de carbón activado granular a partir de celolignina, en una planta de furfural a partir de bagazo.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

552

TABLA 311 Caracteristicas del carbón activado de celolignina

Muestra

Pérdidas por combustión (%)

Ceniza (%)

Densidad (cm3/l)

Porosidad (Cm'/g)

índice de miel

AYCB-0

39

5,3

425

0,83

-

A.YCB-1

0

7,3

347

1,16

11

AYCB-2

64

11,2

288

1,64

122

AYCB-3

68

14,9

245

1,80

154

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Capítulo XXI PRODUCCIÓN DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA ALBERTO GARCÍA GARCÍA

JosÉ LASTRA RODRÍGUEZ

t Antecedentes hist6ricos Durante el proceso de molienda de la caña, una parte de la cera contenida en la misma, queda adherida o mezclada con el bagazo y otra parte, alrededor de 40 %, pasa al jugo, de donde es extraída . en la etapa de clarificación y pasa a formar parte de la cachaza . La cera de caña .se encuentra cerca de los nódulos del tallo de la caña, en la cutícula . Constituye 0,1 % del peso de la planta. El contenido de cera cruda en cachaza varía, considerablemente, en dependencia de diversos factores . En Cuba, a principios de 1960 se recuperaba de 9 a 13 % sobre cachaza seca. Se han realizado múltiples experiencias de extraer la cera de la caña, en el inicio separarla directamente de los tallos, tratándolos con agua caliente, en sistemas agitados, etc. Ninguno de los métodos directos de obtención de cera encontró utilización, sino que se adoptó el método de extracción con solventes selectivos para separar la cera a partir de la cachaza, obteniéndose así un producto constituido por 3 fracciones : cera dura, aceite y resinas . A pesar de que desde 1841 un farmacéutico de Nueva Orleáns aisló y purificó la cera de caña y que desde 1909 fue patentado un método de extracción con solventes, no fue hasta 1916 que se llevó a cabo la primera producción industrial en África del Sur, esta planta, funcionó unos 10 a y afrontó dificultades para obtener una cera de calidad satisfactoria . Esta cera se usaba como sustituto de la cera de abejas para la fabricación de velas para la iglesia Ortodoxa Griega . También, por la misma época, y con los mismos fines, se produjeron algunas cantidades en Java. Durante la Segunda Guerra Mundial se comenzó a producir cera refinada de caña en Australia, motivado por las necesidades militares, al no poder contar con las ceras importadas de Brasil . Después de terminada la guerra fue protegida por fuertes aranceles de aduana hasta que al disminuir éstos, en la década de 1960, cesó su producción . Esta planta tenía una capacidad pequeña, de unas 30 t de cera refinada . En 1940, Sweenson patentizó un proceso para la extracción de cera cruda de la cachaza, utilizando solventes orgánicos .

MANUEL VÁZQUEZ TÍO

La Cuban American Sugar y la S. C. Johnson, comenzaron estudios, en 1942, en el central Chaparra (actual Jesús Menéndez) y en los años 1946-1950, se instalaron 2 plantas de extracción de cera cruda en éste y en el central Delicias (hoy Antonio Guiteras), los cuales abastecieron a una planta de refinación en Luisiana, Estados Unidos, donde se obtenía una cera de alta calidad que tenía gran aceptación en el mercado. Esta planta tuvo que cerrar al dejar de recibir cera de Cuba a causa del bloqueo económico impuesto por Estados Unidos . Así mismo, las 2 plantas de cera cruda, además de una tercera que se había construido en el central Jaronú (hoy Brasil), también tuvieron que cerrar sus operaciones en 1964. Se realizaron investigaciones para producir la cera cruda en la propia Luisiana, pero el bajo contenido de cera que tienen sus cañas no hacía rentable el proceso . Entre los años 1970-1980, países como Filipinas, India, Taiwan, etc., instalaron plantas pilotos pequeñas para la refinación y extracción de la cera de caña. Cuba ha refinado cera cruda, en forma experimental, en una planta piloto instalada en el central Jesús Menéndez, en la cual se obtenía cera refinada, aceite y resina, el solvente empleado era alcohol etílico y la tecnología muy similar a la planta de Grammercy, Luisiana. También en Cuba se investigó el proceso de refinación con acetona, en el ICIDCA, durante los años 1960 - 1964, llegándose a obtener cera de alta calidad en pruebas a escala de banco. Actualmente, no se tiene información sobre producción industrial de cera de caña. 2 Generalidades Desde el punto de vista químico, el uso del término cera es bastante confuso, ya que da a entender un estado físico más que un compuesto químico, así una cera comercial puede ser una grasa, un hidrocarburo o un producto cuya composición se acerca al de la cera verdadera por definición química, la cual está compuesta por ésteres de ácidos grasos superiores con un alcohol monohídrico de alto peso molecular .

555

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

Mundialmente, se usaban diferentes clases de ceras, en dependencia de las calidades requeridas para cada aplicación . Las ceras más utilizadas se pueden clasificar de acuerdo con su origen como ceras vegetales, minerales o animales. También se producen por vía sintética y como mezcla de diferentes clases de ceras natu, rales. 2.1 CERAS MINERALES Se obtienen del carbón, turba, lignito y de la destilación del petróleo. De esta última se obtie ne, por fraccionamiento, la parafina. La cera montana se obtiene en la RFA y RDA a partir de lignito . Esta es la cera mineral con propie. dades más semejantes a las ceras vegetales, tiene un color carmelita oscuro y para los usos en que el color no es importante sustituye a la cera carnauba . Existen otras ceras minerales como las ceras de carbones de bajo grado y la osocerite, a partir de materiales terrosos, y otras de menos usos. 2.2 CERAS ANIMALES Son producidas, principalmente, por diferentes insectos. Entre ellas están la cera de abejas, la cera de china, la espermaceti (derivada del aceite de ballena), la cera shellac, lanolina (cera de lana de las ovejas), etc. 2.3 CERAS VEGETALES Se encuentran formando un revestimiento de las hojas, tallos y semillas, esto se presenta en el reino vegetal como una protección de la planta para reducir la evaporación de agua, particularmente en las regiones tropicales. Existe una gran cantidad de vegetales que producen ceras, éstas se obtienen, comercialmente, de varias fuentes, como la cera de esparto, de hierbas que crecen al norte de África. Las ceras vegetales más importantes son: la cera carnauba, la ouricury y la candelilla . La cera carnauba es la de mayor comercializac'_ón y la de mejor calidad, procede de la planta Copernicia cerifera que crece en las regiones semiáridas del nordeste de Brasil. La cera está contenida en las hojas de la palma y su recolección se realiza manualmente. La cera ouricury se obtiene también de palmas en Brasil, por un proceso similar . La cera candelilla se obtiene en México de hierbas de lugares desérticos. Como patrón para determinar la calidad de la cera se toman las propiedades de la cera carnauba. En la tabla 312 se presentan las características principales de las ceras más usadas .

3 Situación social En los últimos años, a causa de la crisis del petróleo, las ceras derivadas de éste, han subido de manera acelerada de precios, y las ceras vegetales, a causa, principalmente, de la escasez de mano de obra para la recolección de las hojas, también han elevado sus precios de manera extraordinaria . Esto ha despertado el interés de varios países productores de azúcar de caña, en analizar la posible producción de cera de cachaza. Actualmente, no existe producción industrial y solamente en la India y en Cuba se producen pequeñas cantidades a escala piloto . En la India existe una planta piloto que produce la cera cruda y la refina posteriormente. Esta planta se halla en el central Ravalgaon, tiene una capacidad de 200-300 kg/d. Para la extracción de cera cruda emplean como solvente aguarrás, y para la refinación alcohol isopropílico . En Cuba se adoptó como instalación piloto de refinación, la planta extractora del central Jesús Menéndez, utilizando como materia prima cera cruda que quedó almacenada al suspenderse las exportaciones a Estados Unidos . En esta planta se ha investigado el uso del alcohol etílico y actualmente está en fase de remodelación para usar mezclas de alcohol etílico-heptano . 4 Características y composición 4.1 COMPOSICION DE LA CERA DE CUTÍCULA En un principio se creía que la cera de cutícula estaba constituida por ésteres de alcoholes y ácidos de alto peso molecular, pues éstos eran obtenidos por hidrólisis de la cera con NaOH . Posteriormente, estudios más detallados, realizados con técnicas modernas, demostraron que la cera de cutícula está constituida por aldehídos, alcoholes ácidos y una pequeña cantidad de hidrocarburos . Horn y Matic aislaron, en 1958, por destilación molecular del producto acetilado de la fracción no saponificable, una fracción de alcoholes de los cuales el octacosanol era el principal,constituyente. En 1959, Wiendorf obtuvo por cromatografía una fracción alcohólica que constituía 63 vio de la materia no saponificable . Por medidas de difracción de rayos X se identificaron los alcoholes como C30 y C es en una proporción de 40:20 . Z. H . Kranz y J. A . Lamberton estudiaron la cera de cutícula por eromatografía gaseosa y encontraron que estaba constituida por aldehídos, alcoholes ácidos e hidrocarburos normales y que los hidrocarburos constituían la fracción predominante .

55 6

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR TABLA 312

Características principales de las ceras más usadas Tipo

Punto de fusión

índice de acid z

índice de saponificación

índice de iodo

Animales Espermaceti

42 .47

Lana

38 .40

59,8

82-130

17

-29

Abeja

62-66

17 .21

88-100

8

-11

China

80-85

1,9-8,9

78-93

1

- 2b

Ceresina

56-82

-

4

- 8

Montana

80-86

35-45

7

-14,5

0,5-2,8

126-135

2,8- 9,5

Minerales

100-115

Vegetales Carnauba

86 .89

Candelilla

73-77

Asparto

75-79

Quricury

86-89

12-18

88-90

Caña

77-80

7-10

60-65

3-85 18,6-23,22-27 9

50 (aprox .)

Alcoholes

25-27

Ácidos

15-17

Hidrocarburos

55-64 58-72

Constituyentes de la cera de cutícula (%) Aldehídos

76-85

8-9

4.2 CERA CRUDA Este producto difiere de la cera de cutícula en que tiene menor cantidad de aldehídos y alcoholes libres, y mayor proporción de ésteres . Al ser molida la caña, la cera presente en la cutícula pasa al jugo, junto con otras sustancias que como los lípidos y las materias colorantes y resinosas provienen del interior de la corteza. La adición de Ca0 durante la clarificación del guarapo produce distintas modificaciones químicas en los constituyentes de la cera. Los aldehídos presentes en la cera de cutícula son convertidos en ésteres y los ácidos libres y productos de la hidrólisis alcalina son convertidos en sales de calcio . La cera cruda extraída de la cachaza con heptano caliente es una mezcla heterogénea de la

7

-15 -

6

-10

cual se pueden separar 3 fracciones características bien definidas . Una fracción de cera dura (38-45 %), una fracción grasa o aceite de caña (35 - 40 %) y una fracción resinosa (15 - 17 %) . Las características de la cera cruda son las siguientes: Punto de fusión Punto de ablandamiento

65 - 68 °C 64 °C

índice de saponificación

70-100

índice de acidez

15-23

índice de iodo

55-70

Densidad a 25°C

61,2 lb/fts

Densidad a 100°C

54,0lb/fta

Gravedad específica

0,980

Gravedad específica a 100°C

0,865

Viscosidad a 80 °C

42 cP

557

PRODUCCIÓN DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

Capacidad calorífica de 18 - 120 °C

105 BTU/lb

Penetración 1/10 ASTM, 100 g, 5 s

28,2

Expansión volumétrica promedio

3 ins/fts/°C

4.2.1 Composición de la cera cruda

La cera cruda contiene 35,5 % de ácidos y 60 % de materia no saponificable . Los ácidos grasos comprenden 20 oio de ácidos volátiles, 20 % de ácidos grasos solubles en NaHCO3 (resinosos) y 78 % de ácidos no volátiles insolubles en NaHCO3. Estos a su vez están constituidos por 22 % de hidroxiácidos y 56 % de ácidos grasos normales . Estos últimos contienen 5,8 oio de ácido oleico, 2 % de ácido linoleico, 24,5 oio de ácidos de 14 a 24 átomos de carbono y 68,2 % de ácidos de 28 a 30'átomos de carbono . También hay presentes una pequeña cantidad de ácidos de 20 a 22 átomos de carbono . La materia no saponificable contiene 2,7 0.0 de hidrocarburos, 72,1 % de alcoholes, de los cuales la mayor parte es de alcohol mirisílico y 17,1 Dio de esteroles, de los cuales se ha aislado stigmasterol y sitosterol. En trabajos de colaboración conjuntos entre el ICIDCA (Cuba) y el Instituto de la Turba de Minsk (URSS), se realizaron en este último, análisis comparativos de ceras de caña y de la turba. En la tabla 313 se exponen los resultados del análisis general de ambos productos .

TABLA 313 Tipo de cera Cera cruda Cera cruda de cachaza de turba

Propiedades

Temperatura de goteo ('C)

75,2

73,5

25

41

(mg KOH/g)

75

128

Indice de éster (g/100 g)

34

25

Análisis elemental:

C

75,6

80,5

H

12,8

12,7

O

11,5

5,9

N

0,1

0,9

Indice de acidez (mg KOH/g)

Indice de saponificación

En la figura 323 se exponen los resultados del análisis cromatográfico, en capa delgada a la cera cruda de turba y a las 2 fracciones de cera cruda de cachaza . En este trabajo se emplearon métodos de análisis químico y espectrales en los cuales se evidenciaron diferencias en la composición química de ambos productos . Se emplearon métodos de resonancia magnética nuclear (RMN) y resonancia paramagnética electrónica en los análisis comparativos de las fracciones de la cera cruda . El fraccionamiento de la cera cruda de caña con acetona a 25 °C, para separar la fracción grasa y con alcohol isopropílico a 80°C, produce la siguiente composición :

Cera dura

41,09

Aceite

39,79

Resina

17,62

Impureza

1,50

4.3 CERA DURA

El componente más valioso de la cera cruda es, sin duda, la fracción de cera dura que queda después que el aceite y la resina han sido eliminados. La cera de cutícula modificada a través del proceso de producción está concentrada en esta fracción . La cera dura es soluble en los solventes normalmente usados con las ceras y al enfriarse forma un gel característico de los pulimentos sólidos . Puede ser aplicada a una superficie como una película delgada, produciendo un alto grado de brillo . La fracción de cera dura desprovista de aceite y resina contiene, aproximadamente, 55 oio de ésteres, 8 % de ácidos libres, 10 % de alcoholes libres, 25 % de cetonas y aldehídos y 2 oio de hidrocarburos . Difiere de la cera de cutícula en que tiene menor cantidad de aldehídos y alcoholes libres y mayor proporción de ésteres . Al hidrolizar la cera dura se produce 75 vio de materias no saponificables y 25 % de áridos. Las materias no saponificables son casi todas alcoholes grasos y cetonas con cerca de 3 % de una mezcla de hidrocarburos, aproximadamente CZS . Los alcoholes son casi todos del mismo orden de longitud de cadena con 70 oio de ellos en el grupo de alcoholes normales de Ces, Gze Y C30 " La fracción de ácidos está constituida por alrededor de 50 % de ácidos normales, 20 oio de isoácidos y 30 oio de hidroxiácidos . Los ácidos grasos de cadena de carbono más corta, están

558

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZUCAR

Fig. 323 Cromatograma de capa delgada (sílica gel KCK) (solvente., cloroformo; revelador: dcido sulfúrico concentrado) . 1. Cera cruda de turba 2. Estigmasterol. 3. Cera cruda de cachaza 4. Fracción insaponificable de la cera de cachaza. 5. Fracción soluble en alcohol etílico de la cera cruda de cachaza.

presentes en cantidades de sólo 30 % de los ácidos totales, mientras que los ácidos de Css y C3s están en cantidades de 40 % y 30 vio, respectivamente . Existe algún grado de no saturación en la fracción de ácidos y la presencia de hidroxiácidos e isoácidos está bien establecida . 4.4 ACEITE DE CACHAZA Un análisis de la fracción de cera cruda soluble en acetona, a 25 °C, indicó las siguientes características : índice de saponificación 156,0; índice de ácidos 24,6; índice de yodo (alija) 85,81 humedad y materia volátil 0,8 "io . La hidrólisis del aceite con NaOH produjo 71 % d(. ácido, 23 "io de materia no saponificable y 6 qo de materia soluble en agua (glicerina) . Estas 3 partes tienen la siguiente composición : la fracción ácida consiste en 81,5 % de ácidos grasos y 18,5 "io de ácidos insolubles en heptano . Los ácidos grasos están constituidos por 50 de ácidos saturados y 50 % de ácidos no saturados . La composición de los ácidos grasas es la siguiente : Ácidos

%

Linoleico

36,1

Palmitico

25,0

Oleico

10,2

Linolénico

6,9

Araquídico

7,6

Esteárico

4,6

Mirístico

3,1

Cáprico

1,2

Caprílico

2,0

4.5 RESINA Está compuesta por 2 fracciones de propiedades disímiles . Una fracción es cérea, muy compleja, similar a la cera refinada, por lo que, en la mayoría de los casos, se obtiene junto con la cera refinada, excepto cuando ésta se destina a preparar emulsiones para recubrir cítricos, cosméticos, etc. Su punto de fusión (pf) es de 75 - 82 °C. Es soluble en solventes orgánicos a alta temperatura . Está formada por ésteres de ácidos y alcoholes céreos de elevado peso molecular . Es soluble en numerosos solventes orgánicos a altas temperaturas . La segunda fracción es de color negro, infusible hasta 300 °C, muy poco soluble en disolventes orgánicos, alto contenido de grupos hidroxílicos y de enlaces dobles; presenta pocos grupos ácidos libres como lo indica su bajo índice de acidez, pero sí muchos grupos ácidos combinados, como lo indica su

559

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA alto indice de saponificación . Contiene el calcio y el fósforo presentes en la resina. Al parecer la resina está constituida, primariamente, por una estructura de poliéster que se ha desarrollado a partir de monómeros céreos que tienen grupos funcionales tanto acídicos como alcohólicos. La polimerización y formación de sales de metales alcalinos y alcalinotérreos parece que comienza en la planta viviente y está influida sin duda, por las condiciones del proceso del guarapo, cachaza y tratamiento térmico, durante la extracción de la cera cruda con heptano . En la tabla 314 se resumen las propiedades más comunes de los productos anteriores (Fig. 324) .

método que consiste en raspar la corteza de la caña con máquinas diseñadas con tal propósito . 5.1.1 Recuperación de la cera a partir del guarapo Se ha propuesto la recuperación de la cera directamente del jugo, sometiendo éste a un proceso de centrifugación antes de llevarlo a los clarificadores . El residuo sólido que se obtiene contiene partículas de cera, que pueden ser recuperadas por extracción con un solvente adecuado .

TABLA 314 Propiedades de cera de tafia cruda y sus fracciones

Material

Apariencia general

Tempe. ratura de fusión

No. de

No. de

No. d e

acidez (NA)

saponiticación (NS)

36,5

iodo (método Hams)

Cera de caña cruda Compuesto sólido, color carmelita verdoso

65-67

15-26

90-130

Cera dura

Compuesto sólido, color carmelita claro

77-79

10-15

80-90

10-30

Aceite de cera de caña

Líquido viscoso, color verde oscuro

27

147-158

98,7

Fracción de resina

Compuesto sólido, color negro

8

48-56

16,5

200-300

5 Tecnologías de extracción de la cera cruda de caña 5.1 GENERALIDADES Numerosos métodos han sido propuestos para la recuperación de la cera de caña, a partir de diferentes etapas de la fabricación de azúcar, directamente de la corteza de la caña, haciendo pasar los trozos de caña a través de un tanque por el cual circula agua caliente a contracorriente, la cera queda en la superficie del tanque, del cual se recupera . También fue propuesto un

5.1.2 Obtención de la cera del bagazo El bagazo que se obtiene del último molino contiene una pequeña cantidad de cera, y en el caso que sea destinado a la producción de papel es sometido a un tratamiento con hidróxido de sodio ; la cera contenida puede ser recuperada del licor resultante . 5.1.3 Extracción de la cera a partir de la cachaza La cachaza obtenida por la filtración de los residuos producidos en la clarificación del gua-

560

LA MUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE 3.A CARA DE AZOCAR

CISG

DE AZUCAR (1000 t)

CACHAZA ! OW k# BAM SECA

CERA CRUD"

CACHAZA (8EG,81N CERA) 6172

776,3

kg

l6

ESTEROLE8 19 .1 p

ALCOHDLEs

ALCOlgLEB CERE03 11 N

6LICERRIA ro p

RE81000S W9MOMFlCMLEB 59 y

ACE10S CERE08 Y CERA IS,s p

Acloos GRASOS

SI y

oemuoos

RE81000S DE ACEZO! 6RA80S

es y-

Fig . 324

Rendimiento aproximado de tos Productos de ta cera de caña.

rapo es la única fuente de cera que ha resultado de aplicación industrial en todos los procesos de recuperación comercial de cera de caña. Se han desarrollado diferentes tecnologías de extracción sólido-líquido y liquido-líquido; el contenido de cera cruda en la cachaza es un aspecto que determina el proceso que se debe usar y su rentabilidad. Este índice es muy variable y depende de los siguientes factores : 1. Variedad de caña, naturaleza del suelo.

2. Tipo de cosecha (manual o mecanizada) . 3. Condiciones climatológicas. 4. Proceso de fabricación de azúcar : clarificación, temperatura del agua de imbibición, etcétera. Algunas variedades de caña son particularmente ricas en cera, entre ellas Co-290, B-37-161, R-337, etcétera.

561

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

En la tabla 315 se reflejan los contenidos de cera cruda en las cachazas, en diferentes zonas (1966) . TABLA 315 Cera cruda en cachaza seca (%)

País

India EE. UU .

8 -18

(Luisiana)

4A-179

Puerto Rico

12

Hawai Filipinas

1015-11

.14

9,5-11

Cuba Java

12,4-22

5 -15

Africa del Sur

6,9-19,6

Argentina Brasil

11,9-155

5.2

8,9 .17A

SISTEMA DE EXTRACCION SOLIDO-LIQUIDO 5.2.1

Proceso Men

Este proceso consiste en la extracción sucesiva de la fracción grasa y la cera dura. (La cachaza seca es extraída en heptano a 15-20"C, disolviéndose, de esta manera, la fracción grasa o aceite, la fracción de cera dura es extraída elevando la temperatura del solvente a 105'C.) En la cachaza, la cera y las sustancias grasas constituyen una mezcla homogénea ; la extracción selectiva proporciona una manera más fácil y sencilla de separar la fracción grasa, que la separación subsiguiente de la misma, a partir de la cera dura y utilizando otro solvente. Además, la misma cachaza proporciona un buen medio filtrante que facilita el flujo del solvente. Este proceso fue ofrecido por la firma inglesa Rose Dows and Thomson y brindaba las siguientes ventajas : 1 . La fracción grasa y la cera dura son extraídas en una sola operación, directamente de la cachaza. 2. El mismo solvente es usado en la extracción de ambas fracciones . 3 . La recuperación del solvente absorbido por la cachaza en la primera operación se hace innecesaria.

Un inconveniente de este proceso, es la necesidad de secar la cachaza ; por la gran cantidad de energía necesaria para eliminar 70 % de agua que contiene . 5.3

SISTEMAS DE EXTRACCION LIQUIDO-LIQUIDO 5.3.1

Proceso Sweenson

Este proceso fue llevado a escala industrial, en Cuba, inicialmente en los centrales Chaparra y Delicias (hoy Jesús Menéndez y Antonio Guiteras) y en los años sesenta se instaló una tercera planta en el central Jaronú (hoy Brasil). Ha sido el único que funcionó de forma estable durante casi 20 a, su adecuada eficiencia de extracción (70 %) y la recuperación de solvente (1 % pérdidas), además del funcionamiento automatizado de la instalación, hicieron factible el proceso técnica y económicamente. La cachaza que sale de los filtros rotatorios al vacío contiene 12 - 14 aio de cera cruda, alrededor de 10 % de azúcares disueltos, arcilla e impurezas orgánicas, alrededor de 75 % de agua y una gran cantidad de bagacillo añadido a la cachaza para facilitar la filtración . De los filtros la cachaza es conducida a la planta extractora donde se calienta con vapor, a 80 °C, su contenido de agua se eleva hasta 85% . En estado fluido es introducida por la parte superior de la columna extractora; fluye hacia abajo a través de una serie de platos perforados dispuestos horizontalmente . Los platos están provistos de aberturas centrales que permiten el paso de la cachaza, alternat'vamente, al centro y a la periferia de los mismos y tienen un reborde dirigido hacia abajo que hacen que la cachaza fluya en esta dirección. Una serie de brazos metálicos, unidos a un eje central, producen una agitación continua en el interior de la columna. El heptano entra por la parte inferior de la columna a 100 - 110 °C, fluye hacia arriba de la cachaza y sale por la parte superior en forma de una solución de cera en heptano . Esta solución pasa a un sistema de recuperación de solvente, el cual se basa en la circulación forzada de la mezcla . Un despojador-separador continuo de vapor, patentado para este propósito, logra una alta eficiencia de separación. 5.3.2

Proceso filtración-extracción

La nacionalización de las plantas de extracción de cera, en Cuba, hizo que la Sugar Cane Wax Enterprise que operó la planta de refinación de cera en Grammercy, Luisiana, se dispusiera a utilizar la cachaza producida en los centrales azucareros de EE. UU. (Fig. 326) .

u u b

2U

a m u u b

K W 0

uu 3 h 0a u

C

h N H1 00

kl

21

56 3

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

ACHAZA 70% Ha o MEZCLA

SOLVENTE DE COMPLEMENTO

FILTRACION EXTRACCNIN

EXTRACTO DE CACHAZA SOLVENTE CERA MEZCLADA

SEPARADOR DE SOLVENTE

CACHAZA SIN SOLVENTE

SISTEMA DE RECUPERA~ DE CERA

I

-SOLVENTE

CERA CRUDA

Fig. 326 Proceso filtración-extracción de cachaza para producir cera cruda. El proceso de Sweenson, empleado en Cuba en la extracción de cera de caña de la cachaza, no es considerado satisfactorio desde el punto de vista económico para su aplicación en EE. UU. Su baja eficiencia, pérdida considerable de solvente y, particularmente, el bajo contenido de cera de las cañas de Luisiana, donde los centrales' azucareros no producen suficiente cachaza para justificar la instalación de una planta de este tipo, indujeron a los ingenieros del Agricultural Research Service de Nueva Orleáns, a adaptar el proceso mucho más versátil y eficiente de filtración-extracción a la recuperación de cera de la cachaza . Filtración-extracción es un proceso de extracción por solvente que puede ser utilizado con semillas oleaginosas y materia prima de un contenido variado de aceite o cera y ha proporcionado, a las pequeñas y medianas industrias extractoras de aceites vegetales, un medio de reducir los costos de operación y aumentar el rendimiento . Una de las ventajas que ofrece es que puede ser adaptado a distintas variedades de materia prima . Este proceso requiere una cantidad menor de solvente que los métodos convencionales de extracción y un equipo menor de recuperación de solvente. Fue aplicado, con éxito, por primera vez en la extracción de aceite de semilla de algo-

dón y soya y ha probado ser apl'_cable a la extracción de aceite de girasol, higuereta, tung, afrecho (salvado) de arroz, etc . Su aplicación a la extracción de cera de caña de la cachaza, es el resultado de la continua búsqueda de nuevas aplicaciones . 5.3.2.1

CONDICIONES DE UNA EXTRACCION EFICIENTE

La cachaza húmeda fue mezclada con heptano caliente y agitada durante varios minutos . La mezcla resultante fue filtrada en un filtro rotatorio horizontal de planta piloto para determinar las condiciones de una extracción eficiente . Los datos obtenidos indican que la cachaza debe ser usada con la humedad que contiene, al salir de los filtros y que la mezcla de cachaza con heptano caliente debe ser agitada con un agitador de paletas . La eficiencia obtenida en la planta piloto fue, aproximadamente, de 85 %, mayor que la de 70 % obtenida, en Cuba, en la extracción comercial .

564

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZOCAR

6 Tecnologías de refinación de la cera cruda 6 .1 ASPECTOS GENERALES

La cera cruda de caña, extraída de la cachaza, necesita ser desprovista de las grasas y de las resinas, para obtener un producto que pueda ser usado de manera industrial. El proceso generalmente empleado, consiste en dispersar la cera cruda en un solvente orgánico como isopropanol o acetona, disolviendo la fracción grasa, la cera dura y la fracción resinosa quedan como un sólido insoluble . La suspensión formada se filtra y la fracción sólida es mezclada con más solvente y calentada (la resina se separa de la cera dura por decantación) . Numerosos investigadores han propuesto diferentes solventes para la refinación de cera cruda; el uso de la acetona es mencionado por Balch y Sweensen, en Luisiana . Este último también refiere el uso de metil-etilcetona. McLead estudió la refinación de cera con metanol e isopropanol. El uso de solventes de bajo punto de ebullición (metanol y acetona), requiere calentar la mezcla de cera y solvente bajo la presión necesaria para mantener una fase líquida en la etapa de separación de la resina. Se han estudiado otros solventes como acetato de etilo, butanol, aceite de fussel, furfural, etc . Otro proceso de refinación empleó la destilación al vacío para eliminar los componentes grasos de peso molecular menor y posteriormente una oxidación violenta con ácido crómico . En general, se han obtenido numerosas patentes para refinar la cera cruda, mediante extracción con solventes y medios químicos . De la bibliografía se puede concluir, que se han utilizado distintos solventes para la extracción y refinación de cera de caña, como, por ejemplo : 1 . Acetona a 100 °C y presión . 2. Isopropil acetato. 3. Isopropanol a su temperatura de ebullición. 4. Dietil éter. 5. Alcoholes de distintos tipos. 6. Benceno, etilacetato, acetonitrilo, alcoholes amilicos, furfural, fussel oil, metanol, etanol, butanona, metoxietanol, 2-etoxietanol, n-propanol, acetato de etilo, etc. Algunos de estos solventes han resultado adecuados para refinar la cera cruda de caña y otros no, esto se debe, princ?palmente, al hecho de

que la cera cruda de caña está constituida por 3 fracciones ya mencionadas . En la selección de un solvente adecuado para separar la cera de estas fracciones se sigue el siguiente criterio : un solvente es adecuado, si es capaz de disolver a altas temperaturas (punto de ebullición del solvente) la misma cantidad de cera dura que el isopropanol, pero no disuelve toda la cera cruda, pues, de esta forma, se busca no disolver la resina y las cenizas . De todos los solventes utilizados los que presentan mayores posibilidades son: a) Isoproponol . b) Acetona a presión . c) 80 % de etanol y 20 % de fracción ligera de petróleo (95 - 100) . d) Fracción ligera de petróleo (95 - 100) . e) Furfurol. Los procesos que presentan mayores ventajas parecen ser los que separan las grasas o aceites con solventes en frío (acetona, fracción ligera de petróleo), isopropanol, mezcla etanol absoluto (80 %) y fracción de petróleo (20 %), efectuándose, en segundo lugar, una extracción de la cera dura con solventes en caliente, dejando como residuo insoluble la .resina. Los solventes más adecuados son los señalados con anterioridad . Cuando el contenido de resina en la cachaza es pequeña, es conveniente aplicar el proceso desarrollado por Mexz, consistente en extraer las grasas con fracción ligera de petróleo o solventes clorinados en frío y a continuación la fracción de cera dura con el mismo solvente, pero en caliente directamente de la cachaza. Si el contenido de resina es alto, la cera dura obtenida en la segunda operación viene acompañada de un alto tanto por ciento de resina. Venton y Davidson estudiaron las condiciones para la cristalización de cera dura concentrada en solución, separando la fracción soluble e insoluble a temperatura ambiente. Goepfert utilizó procesos semejantes al de Merz, pero usando solventes, selectivamente oxigenados como cetonas alifáticas, ésteres acéticos y propiónicos, etc. Estos métodos utilizan solventes caros que requieren buenos sistemas de recuperación, y a diferencia de la fracción ligera del petróleo, no pueden ser usados en cachaza húmeda, por lo que no son recomendables . Sin lugar a dudas, el trabajo de Hatt y Radcliffe es un estudio muy completo de todos los solventes posibles para refinación, aplicados a ceras crudas de distintos centrales, con diferen-

565

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

tes contenidos de cenizas, resina, grasa y cera dura. Las ceras duras obtenidas con estos solventes son de color oscuro y requieren un tratamiento posterior para su utilización . Este tratamiento consiste en una oxidación, al hacer pasar aire a través de la cera fundida, a temperatura entre 90 y 110 °C, durante 4 a 10 h, aunque se han estudiado y aplicado otros métodos que posteriormente se señalarán. 6.1 .1 Orden de separación de los componentes de la cera cruda Las grasas se separan rápidamente, si la cera cruda fundida se atomiza con agitación vigorosa en el solvente mantenido a una temperatura baja, y en estas condiciones la cera no disuelta y la resina precipitan en forma granular, que es fácil de filtrar y lavar (aunque la cera dura retiene un poco de grasa y pasa algo de aquella a la solución) . Después cuando se mezclan la cera dura y la resina con solvente caliente la separación es aguda y se puede blanquear fácilmente con aire caliente . Este proceso es conocido como "proceso F" y tiene la ventaja de que elimina el lento procedimiento de cristalizar la cera al enfriar . La solución de grasa fría puede ser filtrada de los componentes restantes después que se ha disuelto la cera cruda fundida en el solvente, y la cera dura se puede separar de la resina decantando a filtrando su solución caliente de la resina no disuelta. Se reportan los datos de las ceras crudas de la Queensland Wax Co . cuya cachaza se deja fermentar al aire durante largo tiempo y da una cera dura más fácil de refinar y blanquear . En esta fermentación se consume, aproximadamente, SO .% de las grasas, pero en algunos casos, cerca de 10 % de cera dura. Atendiendo a otros criterios como : facilidad de recuperación, disponibilidad del solvente y costos, es posible estrechar el rango de solvente a: acetona a presión, isopropanol, mezcla étanol-petróleo ligero y furfural . Se consideran ceras ideales aquellas que tengan, aproximadamente, 60 % de cera dura, 20 - 25 % de grasa y 15 - 20 % de resina, con un contenido de 13-17 % de cera cruda en la cachaza . 6.2 REFINACION DE CERA CRUDA POR FRACCIONAMIENTO CON ACETONA Este proceso fue desarrollado por O. J . Sweenson y E. Wilder en EE. UU. (Fig. 327) y fue usado en la planta de refinar cera de caña que operó S. C. Johnson and Son Inc ., en Grammercy,

Luisiana. Fundamentalmente, se basa en el método empleado para eliminar la parafina de los aceites lubricantes producidos del petróleo, diferenciándose del mismo en que en la refinación de la cera de caña es necesario eliminar una fracción resinosa, además del aceite . La refinación de cera de caña con acetona es llevada a cabo en las siguentes etapas : 1. Eliminación de la fracción grasa o aceite soluble en acetona, a 25°C. 2. Eliminación de la fracción resinosa insoluble en acetona, a 95-100°C : ., 3. Blanqueo de la fracción de cera dura por oxidación con aire. 4. Modificación de la cera obtenida. 6.2 .1 Eliminación del aceite La cera dura es fundida en recipientes provistos de serpentines de~vapmt'y' filtrada para eliminar cualquier materta-extraña y mezclada con acetona a 98-100°C, a la presión suficiente para mantener la acetona en estado líquido . Por cada libra de cera se añaden de 0,1 a 0,7 lb de acetona. La mezcla liquida es inyectada en un recipiente que contiene una suspensión. de cera dura y del aceite en acetona. La temperatura de la mezcla liquida permanece a 25 - 30 °C, y se mantiene un vacío de 240 mm de Hg, en el recipiente, el calor en exceso es disipado por evaporación de la acetona que hierve a esta temperatura . La acetona evaporada pasa a un condensador de reflujo y se devuelve al recipiente. Para mantener una concentración adecuada a la suspensión de cera dura en acetona, de modo que pueda ser filtrada fácilmente, se introducen 4 lb de acetona en el recipiente por cada libra de cera cruda . La suspensión se filtra en un filtro rotatorio al vacío, provisto de una cubierta para evitar la evaporación del solvente. La capa sólida de cera formada en la superficie del filtro es lavada con 4 lb de acetona, a 25°C, por cada libra de cera y una vez libre de aceite se separa por medio de un raspador. Para ayudar a la separación de la cera dura del filtro se inyecta un gas inerte, por ejemplo, nitrógeno . Esto ayuda a que el filtro se mantenga limpio : Se emplea nitrógeno y no aire para evitar la formación de una mezcla explosiva. El filtrado que contiene el aceite es evaporado, recuperándose la acetona. 6.2.2 Eliminación,de la resina La fracción de cera dura que se obtiene en el filtro es mezclada con 4 Ib rielacetona por cada

566

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

Fig. 327 Proceso Sweenson para la refinación de la cera cruda con acetona.

libra de sólidos y calentada a una temperatura de 90 a 100'C, a la presión suficiente para mantener la acetona en estado líquido . Esta mezcla se lleva a un tanque decantador donde se forman 2 fases. La fracción resinosa insoluble en acetona a esta temperatura, se deposita en el fondo y la cera dura queda en solución . La cera disuelta en acetona es extraída, continuamente, por la parte superior del tanque decantador y la resina es retirada, periódicamente, a un receptor del cual pasa a un recipiente de baja presión donde se evapora la acetona . 6.2.3 Oxidación con aire La cera dura obtenida tiene un color oscuro a causa de las materias colorantes residuales . Para lograr una cera de color pálido, la cera dura que contiene menos de 3 % de resina y 2 % de aceite es oxidada con aire. Se hace pasar una corriente de aire a razón de 10 f t9 de aire/lb de cera, por hora, a través de la cera fundida a 92"C, agitando continuamente . El flujo de aire se mantiene hasta que la cera adquiera un color amarillo claro y el número de acidez sea de 28-35 . Este proceso permite la obtención de distintos tipos de cera refinada, de acuerdo con el uso a que ésta ha de ser destinada . Las 2 clases fundamentales de cera producida son :

1 . Una cera refinada desprovista de aceite y resina, blanqueada por oxidación con aire . Esta cera tiene propiedades de formación de gel, admisión y retención de solventes adecuados para su uso en la constitución de pastas sólidas como betunes de calzado . Además, forma emulsiones líquidas con los componentes usados en pulimentos del tipo de emulsión. 2. Una cera desprovista de aceite, pero a la cual no se le ha eliminado la resina ; se le añade 1 - 3 % de Ca0 y 2 - 3 % de una resina de fenol-formaldehído que le da las características deseables para ser usada en la fabricación de papel carbón. Estos 2 tipos fundamentales de cera pueden ser modificados por adición de otros productos químicos como ácidos dibásicos y polialcoholes que le dan características peculiares requeridas en usos específicos . 6.3 REFINACION DE CERA CRUDA POR FRACCIONAMIENTO CON ETANOL-HEPTANO La refinación de la cera de caña con una mezcla de 80 % de alcohol etílico absoluto y 20 % de heptano o una fracción de petróleo con un

567

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

punto de ebullición de 95 °C, a 105 °C, fue estudiada en Australia por H . H. Hatt y H. Radcliffe, con el propósito de sustituir el proceso de destilación al vacío empleado por la Queensland Wax Co. El uso de la mezcla heptano etanol como solvente, en el fraccionamiento de la cera cruda, tiene la ventaja de separar la- fracciócrresinosa sin necesidad de calentar la mezcla bajo presión . La separación de la resina se efectúa fácilmente, a 75°C, temperatura a la cual hierve la mezcla a la presión atmosférica . El heptano o fracción de petróleo es el mismo solvente usado en la extracción de cachaza, por lo cual no es necesario eliminarlo completamente de la cera cruda antes de la refinación. La cera cruda es fundida y filtrada para eliminar el residuo de bagacillo que contiene . Mientras permanece caliente, de 90 a 95'C, se vierte sobre la mezcla de heptano-etanol, agitando vigorosamente . La temperatura del solvente es mantenida a 20-25°C, por enfriamiento con agua. La adición toma 30 min. Cuando se termina de añadir la cera fundida, la suspensión formada se deja reposar durante 1 h y la capa líquida que queda en la parte superior y que constituye alrededor de 3/4 del volumen total se decanta . La cera dura residual se filtra y se lava 2 ó 3 veces hasta que esté libre de aceite, usando cada vez un volumen de solvente igual al de la cera dura. El aceite es separado por evaporación del solvente . 6.3.1 Separación de la resina La torta húmeda del filtro, que contiene la fracción de la cera dura y la resina, es transferida a un recipiente provisto de camisa de vapor donde se agita, brevemente, y se refluja durante 90 a 120 min, con 9 veces su volumen de la mezcla de solvente. Después de 20 min de reposo la capa inferior de resina es extraída y la solución caliente se separa para recuperar la cera dura. La resina se lava con 3 veces su volumen de solvente caliente, dejándose reposar por breve tiempo y se decanta la solución de cera dura extraída . El lavado se repite hasta que la resina está libre de cera. 6.3.2 Blanqueo de la fracción de cera dura La cera dura obtenida es de color verde a causa de la clorofila residual que contiene. Se obtiene una cera de color claro, haciendo pasar una corriente de aire a través de la cera fundida a 95 - 100'C. El blanqueamiento de la cera con aire demora alrededor de 6 h, pero el tiempo puede ser reducido reflujando la solución de cera con tierra blanqueadora.

6.4 REFINACION DE CERA CRUDA POR DESTILACION Y OXIDACION CON ACIDO CROMICO Un proceso de refinación desarrollado por H. H. Hatt, en Australia, y empleado por la Queensland Wax Co., hizo innecesario el uso de solventes orgánicos para la purificación de la cera de caña y está basado en el método usado en Alemania para blanquear ceras montanas por la I. G. Farbenindustrie (Fig. 328) . Los pasos seguidos en la obtención de cera. refinada son : 1 . Demineralización . 2. Destilación al vacío. 3. Blanqueamiento con ácido crómico. 4. Modificación química . En el primer paso, la cera cruda es tratada con una solución de HC1 caliente, durante 24 h. La planta de refinación procesa alrededor de 100 t de cera en 1 a. Basado en 1 a de trabajo de 250 d y suponiendo que la cera tiene una gravedad específica de 0,84, a 100°C . La planta procesaba unos 1070 gal de cerald. Los minerales presentes en la oera cruda constituyen 54 %, de los cuales 60 % son de Caq COs y 40 % Cas (F04) s. Se necesitarán 900 gal de HCI a 3,3 % para tratar 1070 gal de cera. Después del tratamiento de HCI, la cera es lavada, 3 veces, con agua para eliminar el ácido . Este proceso toma 18 h. El rendimiento de la cera dimeralizada es de 90 %. 6.4.1 Destilación el vacío Después del tratamiento con HCI la cera es enviada a una unidad de destilación, donde los componentes grasos de bajo peso molecular, son eliminados por destilación bajo una p'tesión de 1 mm y 300 °C. Se necesita un acero inoxidable especial (tipo 316) para resistir los ácidos grasos que destilan a esa temperatura. La unidad de destilación requiere líquido para calentamiento y el receptor debe ser calentado, porque la última parte del destilado tiene un punto de fusión de 60°C. Se ha propuesto, sin embargo, colectar sólo un destilado . Se inyecta, a vapor, la cera fundida, a razón de 0,5 % del peso de la ceta por hora para que éste- actúe como un agente arrastrador de la cera durante la destilación . La naturaleza de la cera dura residual puede variar de acuerdo con el tiempo, ;Presión y temperatura usados.

568

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CANA DE AZOCAR,

AGUA ACIDO CLORHIDRIC0

DESXIDRATADOR

Fig. 328 Refinación de cera de caga por destilación al vacío y oxidación con ácido crómico.

6.4.2 Blanqueo de la cera dura

6.4.3 Modificación química de la cera blanqueada

En la última etapa del proceso la cera dura residual es blanqueada, se calienta a reflujo con una mezcla de ácido crómico y ácido sulfúrico, a una temperatura de 110 °C. Un blanqueo completo toma alrededor de 12 h. Aproximadamente, 2.5 t del material son procesadas diariamente . Una unidad blanqueadora, incluyendo la regeneración electrolítica del ácido crómico, ha sido diseñada por I. G. Farbenindustrie . El blanqueo de 2,5 t de cera tomaría 5 t de ácido crómico diariamente, por lo tanto, 2 baterías cada una de las cuales consta de 60 celdas electrolíticas, serán necesarias para suministrar el ácido crómico, con otro par en reserva, probablemente . El consumo de energía en la unidad regeneradora a razón de 4,86 kW - h/kg de Cros serían 24 300 kW " h, la planta completa operaría 3 turnos diarios, 5 d a la semana, durante 48 s al año . Después de blanqueada, la cera es lavada con H2SO9 (3 48 de peso volumen) y con agua, secada bajo un vacío de 200 mm y convertida en escamas, si se desea . Se estima un rendimiento promedio de 50 gro para una planta que procesa 1000 t en 1 a, éste seria 2 200 000 lb anualmente.

Esta cera, tal como se obtiene después de blanqueada con ácido crómico, es de color pálido, dura y brillante, pero sus propiedades son poco satisfactorias para ser usada en la composición de betunes de calzado y no puede competir con las ceras carnauba o ceras sintéticas . Los geles formados con estas ceras tienen poca firmeza y se ablandan al aumentar la temperatura . Hatt propone modificar esta cera de alto número de acidez (130-160), esterificando los ácidos libres con polialcoholes tales como glicol de etileno, glicerol o pentaeritritol . Este último produce una cera de características más apropiadas, tan dura como la cera comercial producida en Grammercy, Luisiana . Los ésteres de pentaeritritolfueron separados, calentando la cera con un ligero exceso de alcohol, usando ácido para-toluenosulfónico como catalizador . Otra modificación consiste en formar amidas de los ácidos libres de la cera con aminas, tales como, metilamina, etilamina o exametileno di-amina . Calentando la cera con la arnina a 200-215°C, se produce metil-etil-amida y hexametileno-bisamida, respectivamente . Estas ceras

569

PRODUCCIÓN DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA ero r ue a son e una dureza mayoqldeseada, con las cantidades adecuadas combinadas con geles produce ésteres de pentaeritritol ceras de con las características deseadas . 6 .5 COMPARACIÓN DE LOS MÉTODOS DE REFINACIÓN CON ACETONA Y CON ETANOL-HEPTANO El uso de acetona como solvente reporta las siguientes ventajas : 1 . La eliminación del aceite es más eficiente a causa de la mayor solubilidad de éste en la acetona que en la mezcla de etanol-heptano. 2. El color de la cera dura obtenida por fraccionamiento con acciona es más claro y el tiempo requerido para la oxidación con aire es menor. 3. El equipo necesario para la recuperación de solvente es más sencillo y la cant?dad de vapor necesario es menor que en el caso de heptano-etanol . 6.5.1 Ventajas de la mezcla etanol-heptano 1. El heptano o la fracción de petróleo ligera puede ser la misma que se emplee en la extracción de la cera cruda, por lo que en ese caso, no sería necesario eliminar completamente el solvente de la cera cruda. 2. La separación de la resina se lleva a cabo elevadas car re sin necesidad de aplipiones adesimplifica la tecnología, por lo que se más, se hace innecesario el uso de N2 como gas inerte en el proceso . En la tabla 316 se muestran los resultados comparativos de ambos procesos. 7 Blanqueo y modificaciones químicas de la cera refinada La cera refinada de caña tiene un color verde oscuro, a causa de la clorofila presente, por lo que es necesario eliminar este color; además, es posible mejorar muchas de sus propiedades (dureza, retención de solventes, etc.) realizando transformaciones químicas con diversos agentes, lo cual incrementa la capacidad comercial del producto, al mejorar las características físicoquímicas del mismo . La cera dura debe reunir las siguientes propiedades : a) Alto grado de brillo.

TABLA 316 Acetona (44)

Etanof-heptam tK)

Cera dura

41,09

34,40

Aceite

39,79

46,84

Resina

17»6

.

19,46

Cera dura sin oxidar

Acetona

Etanol-heptano

Color

Carmelita

Verde

Dureza

2,8

2,8

Punto de fusión

78 *C

77-78 *C

Número de acidez

18,81

13,73

Número de saponificación

56

49

Cera oxidada

Acetona

Etanol-heptano

Color

Amarillo

Amarillo

2p

2,8

Dureza No. de acidez

32,8

33

No. de saponificación

59

57

No. de yodo

12

18,5

No, de saponificación

del aceite

ISL9

170

No. de saponificación de la resina

128,64

176,25

b) Absorción y retención de solventes . c) Capacidad de formar emulsiones estables. Han sido estudiados diversos agentes blanqueadores : 1

Bentonita y carbón activado .

2. H202 en solución de benceno . 3. Petróxido de sodio. 4. HNO3. 5. C104K y H2SO4. 6. Acido crómico . 7. Aire. 8. Oxigeno. 9. Ozono.

570

LA INDUSTRIA DE LAS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

10. K2Cr2 OT , H2SO4. De estos tratamientos, Joshi y Kulkami encontraron que el dicromato producía una cera incolora. Wilder utilizó aire, mezcló la cera con resinas de fenol-fenol-formaldehído y esterificó con ácido maleico, succinico y glutámico para mejorar sus propiedades . Dubey trataba la cera fundida con C12 en presencia de CC14 y agitación, aclarándola en sólo 2 min. El ácido sulfúrico concentrado se emplea, en pequeñas cantidades, con la cera fundida . Este actúa sobre los componentes no céreos constituidos, generalmente, por compuestos no saturados que son atacados fácilmente por el ácido . La fracción cera, que consiste en una mezcla de ésteres por alcoholes y ácidos de alto peso molecular permanece inalterada y separada de los residuos carbonosos, posteriormente . Por razones económicas el método que se ha usado, industrialmente, ha sido la oxidación con aire caliente . Se hace pasar una corriente de aire a razón de 0,28 ms/h por 0,5 kg de cera fundida, a 92 °C, en agitación continua . La cera adquiere un color amarillo oscuro o beige y su número de acidez debe ser de 28-35. Para el caso específico de la cera refinada con etanol-heptano, en el Centro Nacional de Investigaciones Científicas de Cuba han sido desarrolladas diversas técnicas de blanqueo y modificaciones químicas . Se estudiaron las reacciones de oxidación y ozonólisis de la cera con O s y mezclas de Os-O2; la cinética de acumulación de ácidos libres se define a diferentes temperaturas, para un rango de 80 a 160 °C . Se estudió la descoloración mediante ozono de la cera, obteniéndose, independientemente del color de la cera refinada, ceras descoloradas de calidad similar . El resultado de este trabajo indica la posibilidad de utilizar la cera de caña como fuente de ácidos grasos de menor peso molecular y para la obtención de ceras descoloradas, de amplio uso en la industria química . La aplicación del ozono en los procesos de oxidación se caracteriza por su alta selectividad y poder oxidante, lo cual conduce a mejores rendimientos y simplificaciones tecnológicas . En los últimos años han aparecido nuevos equipos de producción de ozono que permiten obtener altos rendimientos por kilowatt de energía gastada. Este desarrollo abre nuevas perspectivas de aplicación al ozono en diferentes procesos tecnológicos, como en el tratamiento de agua potable y de aguas residuales, con el objeto de su descontaminación, en la síntesis de productos biológicamente activos, materias primas de plastificantes, etc . Uno de los tópicos que abordan estos autores ponsiste en la transformación mediante oxida-

ción en fase líquida con la mezcla 09-02, de los compuestos de la cera de caña refinada con el objeto de obtener ácidos de menor peso molecular que están en el rango de C8-Cas átomos de carbono . Estos ácidos son empleados, en todo el mundo, como materia prima para la producción de plastificantes, detergentes en la industria de jaboneria y perfumería, en la industria alimenticia y en la producción de cosméticos y artículos de tocador, como constituyentes de lociones, cremas, champú, creyones de labios e impregnantes de pelo. Estos ácidos se obtienen, procesando aceites vegetales y grasos animales que se desvían del consumo humano directo, aunque también una fuente importante de estos ácidos lo constituyen algunas fracciones del petróleo . Además, la alta efectividad del ozono en el ataque de sustancias con dobles enlaces (característica de compuestos altamente coloreados) hace posible aplicarlo, con éxito, en la descoloración de la cera de caña, pues ésta posee un gran número de colorantes, que le confieren un color oscuro, lo que limita 'su uso (Fig. 329) .

Fig. 329 Curvas de acumulación de ésteres (1), dcldos libres (2), carbonilos (3) y peróxidos (4) en la oxidación de la cera, usando Oa como inicia" dos y a la temperatura de 160 *C.

Otra de las ventajas de la utilización del ozono consiste en la descoloración casi absoluta de la cera refinada. En los trabajos de S. Menéndez y colaboradores se muestran las curvas de absorción por gramo, con respecto al tiempo, a diferentes temperaturas ; a partir de las 2 h de comenzada la ozonificación, se obtiene 'un mínimo de coloración que se mantiene a lo largo de la oxidación . Este mínimo varía poco a diferentes temperaturas y cae dentro del error experimental. A partir de cera refinada de distintos colores se obtiene,

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

al ozonificar, una cera de color estable, lo que asegura una calidad constante en el producto . En el espectro visible se observa la desaparición de las bandas a 650 nm y 450 nm propias de las clorofilas y los carotenos (Figs . 330 y 331) . to- 160*C m- so* c (e>- W c le)- 1006 C m-1006 C e" Aca ce 0,1%

Fig. 330 Curvas de absorbancia por gramo, a diferentes temperaturas,

450

57 1

que la cera carnauba (amarillo pálido), que es la mejor cera vegetal que se obtiene en el mundo. También se realizó el estudio de la oxidación de la cera refinada con oxígeno molecular, estableciéndose la cinética de oxidación de la cera en presencia de sales de cobalto y manganeso e iniciadores quím'-cos . Se observó, en todos los casos, una descoloración de la cera a causa de una oxidación creciente de las clorofilas . Así mismo, se empleó como agente oxidante el oxígeno molecular, pero a una presión de 20 kg/cm2 y usando acetato de cobalto como catalizador. 8 Modificaciones químicas del aceite de caña El aceite de caña es de un color oscuro, olor y sabor característicos . Las sustancias olorosas se pueden eliminar por los métodos tradicionales de refinación de aceites y grasas . En cambio, el

950

Fig. 331 Espectro visible de la cera refinada (1) y de la cera oxidada mediante ozono a 80 'C (1), al cabo de las 2 h.

El empleo de diferentes modificaciones químicas posibilita la obtención de ceras con características definidas para diversos usos. En la literatura se reporta disminución del número de acidez en casos de blanqueo con ácidos oxidantes (esterificando los ácidos libres con polialcoholes), tales como glicol de etileno, glicerol, con lo cual, se obtiene una cera dura de iguales características a la producida en Luisiana. Formando amidas de los ácidos libres con aminas tales como metilamina, etilamina, etc., es posible disminuir el índice de acidez. Por estos métodos también se mejora la dureza . Molerio y colaboradores, obtuvieron alentadores resultados, realizando sencillas modificaciones químicas a la cera de caña refinada cubana con etanol-heptano, y producto de esto ha sido posible igualar muchas de las propiedades de la cera de carnauba . Se ha logrado un punto de fusión y dureza superiores, al añadir Ca(OH) 2 en muy bajo tanto por ciento (1-3), así como disminución del número de acidez. La retención de solventes resultó adecuada, este último aspecto es de gran importancia, ya que, define la posibilidad de fabricar betunes y pulimentos de alta calidad. El empleo de ozono para la oxidación de los grupos cromóforos logró un color más claro

color oscuro producido por la presencia de clorofilas y carotenos no es posible eliminarlo por estos métodos, a no ser por destilación al vacío, a causa de la similitud de estos pigmentos con los glicéridos, por lo que se debe someter el aceite a un proceso de destrucción-transformación de los pigmentos antes de la refinación . En el trabajo realizado por J. Molerio, S. Menéndez y R. Ramos, se hace un estudio cuantitativo y cualitativo de la fracción ácida del aceite de caña, antes y después de la ozonólisis, así como la determinación de otras propiedades de aceites y grasas. En la tabla 318 se observan los resultados de estas investigaciones. En recientes trabajos, J. Molerio y colaboradores realizaron las determinaciones de los fitosteroles en aceite de cachaza, obtenido directamente en la planta de refinación de cela de caña del central Jesús Menéndez (aceite I) y en el aceite contenido en una cera cruda de más de 15 a (aceite II) . Ambas muestras fueron extraídas de la cachaza. Para obtener la fracción insaponificable, las muestras fueron tratadas con h,dróxido de potasio alcohólico y extraída con éter etílico. Los esteroles presentes en estas fracciones se determinaron, cuantitativamente, mediante cromatografía gaseosa, utilizando colesterol como patrón interno.

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZOCAR

572

TABLA 317 Propiedades de cera refinada de caña de azúcar Cera B^^

B+03(3DH)

Cera

Cera APP

Cera A +20 h .03

Cera A +Os+Ca(OH)s

Carnauba

19

8,4

13

3,5

12

4,0

68-74

68-74

70-73

70-73

90 .92

84-85

1,43

1,60

1,65

1,88

1,1

1,1

39-41

80-82

29-31

70-72

49-50

8-9

123 .125

185-190

96-98

165-170

128-134

83-84

21,7

22,7

22,0

23,6

20,2

21,6

26-30

26-30

30-31

29-30

13-15

8-9

ésteres (%)

68-57,3

56-48

68-55

56-48

71

89

Acidos- (%)

17-22

24-27,.

16-23

25-28

16

5

11-15,8

8-9,4

16

11-14

6

5,4

Propiedad

Color A, .10 -1 450 Punto fusión Penetración (mm) Indice acidez Indice

saponificación

Retención de solventes índice de aldehfdos

Aldehfdos (%) eo . .. pp

cern 9 : ara de calidad in~ . C~ A: ~ de eaadad m~

Características

TABLA 318

TABLA 319

Aceite de caña sin tratamiento

Fitosteroles presentes en la fracción insaponificable del aceite de caña. Aceite I. Obtenido directamente de la Planta de Refinación de Cera, central Jesús Menéndez. Aceite II. Obtenido en el laboratorio a partir de la cera cruda

Aceite de Aceite de caña oza caña nificado oxidado

Verde oscuro

Naranja

Ácidos libres ' (molIg C%H

4,9

8,9

5,0

Peso (%)

8,8

16,0

9,0

2,9

5,6

30

77,0

83,0

78,0

3,5

0

0

0

0

1,6

Color

x IOq

Ácidos totales (m01/9 CO311 x 101) Peso (%) Dobles enlaces (molIg x 101) Epóxidos (molIg x IQ3)

Carmelita

Fitosterol

Aceite I

Aceite II

Campestero)

2,2

2,4

Estigmasterol

3,3

4,1

Sitosterol

5,9

4,6

Total

11,4

11,1

El estigmasterol, que es el fitosterol de mayor valor económico, se encuentra entre 3-4 96, cifra que sitúa al aceite de cachaza como el aceite de mayor perspectiva como fuente de estigmasterol.

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA

573

9 Usos y aplicaciones de los productos

9 .2 CERA DURA

9.1 CERA CRUDA

Según la aplicación a que la cera de caña refinada sea destinada, es posible usar un proceso de blanqueo y realizar o no modificaciones químicas, y a que estas últimas sólo se requieren en aquellos casos de usos especiales . Para las condiciones de Cuba, de acuerdo con los resultados de las investigaciones realizadas, se obtendrán 2 tipos de ceras, fundamentalmente :

El principal uso de la cera cruda, llevada directamente sin refinar a la industria, es la fabricación de grasas consistentes y fluidos anticorrosivos. Las grasas consistentes fueron obtenidas por V. M. Ledovski y colaboradores, hidrolizando los compuestos saponificables de la cera cruda con los hidróxidos de los metales alcalinos. La utilización de Ca (OH) 2, con una pequeña adición de NaOH, permite la hidrólisis completa de todos los productos saponificables . Se demostró que por los índices básicos de calidad y las propiedades protectoras, las grasas responden a los requerimientos básicos de estos tipos de materiales . En la tabla 320 se comparan los índices básicos de la cera de caña cruda cubana con otras fuentes de origen vegetal y animal . La cera de caña cruda tiene bastante bajo el índice de yodo, apreciable los tantos por cientos de los productos saponificables y ácidos grasos libres, los cuales son los elementos más importantes para la obtención de jabones espesantes de las grasas consistentes . La suma del valor ácido y del índice de saponificación es de 100- 130 y está casi al nivel de los índices de muchas grasas de origen vegetal.

1 . Cera dura oxidada con aire, para obtener un producto final de color beige, con muy buenas propiedades de formación de gel, brillo, retención de solventes . Se puede usar en : a) Emulsiones para recubrimientos de cítricos y otras frutas . b) Betunes, emulsiones para pieles. c) Pulimentos de automóviles y pisos. d) Adhesivos . e) Tintas de impresión, papel carbón. f) Industria de la goma.

TABLA 320 Valoración comparativa de algunos índices de calidad de la cera cruda y el aceite de cada de azúcar con otras fuentes naturales de grasas Número de yodo

índice de calidad índice de saponificación

Número dcido

36,5

90-130

15-26

85-90

150-160

25-30

170-194

188 .196

Aceite de palmiche

44-45

195-205

Aceite de soya

124 .143

189-195

Grasa de vaca

40-48

190-202

140-180

189-193

Nombre Cera cruda de caña Aceite de cachaza Aceite de linaza

Grasa de pescado

Los estudios realizados por el Centro de Investigaciones Químicas, permitieron obtener fluidos anticorrosivos con cera cruda desprovista de una parte de la fracción aceite . Se calcula que se pudieran emplear unas 2 000 t de cera cruda para la protección de metales en el país, en sustitución de grasas protectoras de importación .

g) Confección de fósforos . h) Industria textil . i) Industria electrónica .

574

LA INDUSTRIA DE LOS DERIVADOS DE LA CARA DE AZVCAR

2. Cera dura blanqueada con ozono, para obtener un producto final de color amarillo pálido . Puede o no ser sometida a modificaciones químicas sencillas, para aumentar el punto de fusión, dureza, retención de solventes y disminución del índice de acidez . Además de ser factible el empleo de este producto en los usos anteriores, por su alta calidad, es posible aplicarlo en los siguientes renglones a) Industria farmacéutica . b) Perfumería y cosméticos : cremas, creyones labiales, ceras depiladoras, etc . c) Otros. En general, la cera refinada representa una materia prima de alto valor comercial y con posibilidades de exportación para nuestro país. Las experiencias realizadas en Cuba corroboran la posibilidad de introducir la cera de caña refinada en la industria en sustitución de emulsiones y ceras sintéticas y vegetales importadas . Se han logrado alentadores resultados en la obtención de emulsiones para el recubrimiento de cítricos, las cuales contienen entre 9 - 11 % de cera refinada, resina de colofonia, un agente emulsificante, y agua como productos principales, aunque se han definido varias formulaciones para este objeto . Con estas emulsiones se realizaron ensayos en las frutas cítricas, comparando los resultados obtenidos con las propiedades de las emulsiones de importación . Estas pruebas se realizaron en envasaderos y, posteriormente, se llevaron a cabo evaluaciones periódicas en los almacenes frigoríficos de cítricos para observar brillo, turgencia, pérd°da de peso y su comportamiento en cuanto a enfermedades, también se realizó un ensayo de transportación a Europa, en todos los casos los resultados fueron satisfactorios . 9.2.1 Competencia con otros productos La cera de cachaza refinada, si no se somete a modificaciones químicas muy sencillas no puede sustituir, completamente, a las ceras carnauba, ouricury y montana, pero mediante las técnicas de blanqueo y modificaciones mencionadas, se ha logrado igualar muchas de las propiedades de la cera carnauba y, en la práctica, ha sido posible la fabricación de diversos productos de alta calidad. 9.3 GRASAS Y RESINAS La fracción grasa o aceite obtenida en el proceso de refinación de cera cruda (40 %) tiene un color verde oscuro por los materiales colo-

rantes, olor y sabor caracterlsticos, y contiene un bajo tanto por ciento de glicéridos, en comparación con otros aceites vegetales, pero un más alto contenido de fitoesteroles . La mayor utilización de aceite está en que representa una fuente importantísima de grasas en la dieta de la masa avícola del país. Durante años se han realizado numerosas experiencias, arribándose a conclusiones favorables sobre el aceite de cachaza como pienso avícola, incluso se ha estudiado el efecto de los fitoesteroles presentes en el aceite, no observándose alteración ninguna en la salud de las aves que ingirieron el aceite . En 1980, la demanda de aceite de cachaza en el país era de unas 20 000 t, para ser empleada como fuente de grasas en la dieta del ganado avícola, en sustitución casi total de aceites de maíz y de girasol . Los fitoesteroles presentes en el aceite (estigmasterol, fl-sitosterol y camposterol) constituyen una importante materia prima para la obtención de progesterona y de otras hormonas de gran valor; tras varios años de investigaciones se ha comprobado y establecido una tecnología que permite obtener hasta 5 - 6 % de los fitoesteroles, en los laboratorios Mario Muñoz de Ciudad de La Habana . En estos momentos se trabaja para mejorar los rendimientos y definir los costos de extracción. A partir de los fitoesteroles se pueden producir : a) Anticonceptivos . b) Hormonas sexuales . e) Diuréticos. d) Corticosteroides . Existe interés de algunas firmas comerciales extranjeras por adquirir mezclas de fitoesteroles ; entre ellos la firma Scheríng, de la RFA, a un precio de US $5,45 el kilogramo . El estigmasterol se encuentra en los residuos de refinación del aceite de soya y en otros aceites vegetales como de maní, coco, palma, girasol, etc ., pero en un tanto por ciento inferior que en el aceite de cachaza . Otra de las aplicaciones más importantes del aceite es su empleo como plastificante, en sustitución del ácido esteárico, producto del elevado precio que actualmente se importa en Cuba en las industrias de fabricación de neumáticos para la producción de: a) Rodados de caucho sintético SDR para diversos neumáticos. b) Protectores de goma.

PRODUCCION DE CERA Y GRASAS A PARTIR DE CACHAZA c) Camél-back. El ácido esteárico tiene un precio de US $819,16 la tonelada y es posible sustituirlo en relación 1 :1 . Así mismo, . es posible la utilización de los ácidos grasos del aceite en diversas aplicaciones industriales : fabricación de jabones, pinturas, etcétera. También el aceite de cachaza ha sido empleado como medio eficiente para almacenar y trasmitir la energía solar, y la fabricación de polvos de extintores, empleando los ácidos grasos de este aceite . Este trabajo fue estudiado 3 corroborado en la práctica con éxito, lográndose sustituir los polvos antifuego comerciales. Experiencias recientes muestran la posibilidad de emplear ozono y otros métodos para la purificación del aceite, es decir, eliminar su olor penetrante y el color verde de las clorofilas, haciéndolo más aceptable para usos industriales más exigentes . En cuanto a la resina, este producto sólo ha encontrado aplicación en Cuba como sustituto del ácido esteárico en la fabricación de neumáticos.

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