juago clarifiado

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

Ing. Industrias Alimentarias

Clarificación del jugo de CañaCane juice clarification

K.Aco, J.Chipana, G. Quispe, y Y. Uscca Laboratorio de Azucares .Facultad Ingenierías de Industrias Alimentarias .Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa

RESUMEN

La clarificación del jugo de caña de azúcar es una parte esencial en el proceso de fabricación del azúcar refinado o panela, debido a que afecta el rendimiento y la calidad del producto final. Hay diferentes métodos para el clarificado de jugo de caña. En este caso se estudió el comportamiento del jugo encalado. Para ello, primero se determinó las características del jugo de caña (extracción) y después del jarabe (jugo concentrado) obteniendo valores de pH, sólidos solubles, color y aspecto general. Los resultados obtenidos fueron analizados dándonos un valor, en el caso del jugo por extracción un pH de 6, 16.5°Brix, color amarillo verduzco y de aspecto poco agradable; en el caso del jugo concentrado un pH de 7, 65°Brix, color amarillo claro y de aspecto agradable, cumpliendo con la normativa existente para jugos de caña clarificados.

ABSTRACTThe clarification of sugarcane juice is an essential part in the manufacturing process of refined sugar or brown sugar, because it affects the performance and quality of the final product. There are different methods of clarified cane juice. In this case the behavior of the lime juice was studied. For this, first the characteristics of sugarcane juice (extraction) were determined and after the syrup (concentrated juice) obtaining values of pH, soluble solids, color and appearance.The results were analyzed giving a value, in the case of juice extraction pH 6, 16.5 ° Brix, greenish yellow and unsightly; in the case of juice concentrate pH 7, 65 ° Brix, light yellow and nice looking, complying with existing rules for clarified cane juice.

I. INTRODUCCION

La producción de un producto en base a la caña de azúcar; sea azúcar refinada o panela se inicia con la extracción del jugo de la caña de azúcar (Saccharum spp), el cual contiene entre 11 y 16% de sacarosa, aproximadamente. Al jugo extraído se le incrementa la temperatura y se le adiciona carbonato de cal para aumentar el pH, ocasionando la formación y

Clarificación Del Jugo de Caña 1



precipitación de fosfatos básicos de calcio (Chen, 2000; Observatorio Agrocadenas, 2006).

El principal objetivo de la clarificación es eliminar impurezas del jugo en la etapa más temprana del proceso que permitan las otras consideraciones del mismo, tales como la claridad y reacción del jugo claro. En la fabricación del azúcar crudo, la cal y el calor son casi los únicos agentes que se utilizan con este fin, aunque generalmente se añade una pequeña cantidad de fosfato soluble. La fabricación de azúcar para consumo directo requiere de otras sustancias químicas además de la cal. (Chen,1991). El empleo de la Cal como medio alcalizante está vinculado a las primeras formas de producción de azúcar de la época moderna, debido a lo específico de la reacción de formación de los fóculos de fosfato tricálcico base de los esquemas de purificación de jugos de caña, así lo ratifica Dekker , cuando plantea que “la ciencia y la tecnología modernas no han podido encontrar un sustituto para el hidrato de cal ” pues el anión OH- proporcionará la alcalinidad necesaria para que el Ca2+reaccione con las impurezas presentes en el jugo crudo.

La tecnología que se emplea actualmente en la purificación de los jugos de caña es distinta a la que se emplea en la industria de azúcar de remolacha. La diferencia básica consiste en que la purificación del jugo crudo por medio del proceso de carbonatación ha llegado a ser una costumbre en la fabricación de azúcar de remolacha por lo que se obtiene un azúcar granulado, a partir del jugo clarificado y concentrado, que puede ser usado para los mismos usos que el azúcar refinada, sin necesidad de refinación. En cambio en la fabricación de azúcar a partir de azúcar de caña producidos por el proceso de molienda presenta solo un porcentaje de la producción total de azúcar de caña. (Honig,1969)

II. OBJETIVOS

Los objetivos planteados en la presente práctica son:

Evaluar la purificación y concentración del producto Dar a conocer al alumno el proceso de clarificación de azúcar rubia Evaluar los parámetros que afectan al proceso de clarificación y determinar el

color del jarabe clarificado

III. GENERALIDADES

La clarificación con cal y calor conocido como proceso de defecación simple es el método más antiguo para purificar el jugo. Por lo general se añade, la cal suficiente para neutralizar los ácidos orgánicos que contiene el jugo de caña para luego elevar la




temperatura. Este tratamiento con cal y calor forma un precipitado denso de composición compleja, en parte más ligero y en parte más denso que el jugo que contiene sales insolubles de calcio, albumina coagulada y proporciones variables de ceras, grasa y gomas.

El precipitado por floculación arrastra consigo la mayor parte del material fino que está en suspensión en el jugo y que no ha sido extraído por la operación de eliminación de impurezas. La separación del precipitado del jugo que lo rodea se efectúa casi universalmente mediante la sedimentación y decantación. La clarificación es una de las etapas más críticas durante el proceso de refinación del azúcar en los ingenios azucareros.

El proceso de refinación del azúcar crudo para la obtención de azúcar blanca refinada comprende diversas a la sacarosa que están localizadas tanto en la parte externa como interna de los cristales.

La eliminación de las impurezas externas del cristal es lo que constituye la parte primordial de la etapa de afinación. Las impurezas son eliminadas durante las etapas de clarificación, decoloración y desmineralización del licor es decir cuando los cristales han sido fundidos con ayuda de agua y calor.

La clarificación del azúcar crudo es una de las etapas del proceso de refinación que consiste en el tratamiento del licor crudo con ciertas sustancias y calor para eliminar las impurezas solubles y coloidales.

De acuerdo a las sustancias empleadas los procesos de clarificación pueden ser carbonatación, fosfatación o sulfitación.

Luego de la filtración del jugo crudo, la clarificación puede realizarse con ácido fosfórico (H3PO4) a pH hasta 5.5 a 5.6, inmediatamente se encala con lechada de cal, llevando su pH alrededor de 7,8. El tratamiento posterior, trabaja con niveles de temperatura entre 60 a 82 °C produciendo una precipitación de fosfato de calcio, igualmente producen la coagulación de compuestos orgánicos no azucares que incluyen la mayor parte de gomas, albuminas y pectinas.

El jugo claro separado por decantación, filtración y/o centrifugación, se lleva a concentración por evaporación que en los ingenios se hace al vacío

IV. MATERIALES Y METODOS

3.1. MATERIAL INSTRUMENTAL Y EQUIPO

3.1.1. Material a ensayar, insumos y reactivos, los requeridos son:

Caña Ácido fosfórico




CaO o Ca(OH)2

3.1.2. Equipos e instrumental, se requiere lo siguiente:

Balanza de plataforma Molino experimental o trapiche Refractómetro Termómetro Balanza analítica Erlenmeyer de 125 ml Cronometro Potenciometro Probetas de 100 ml Pipetas de 10 ml Vasos de precipitación de 250 ml Papel filtro Whatman N°1 Cocinilla Tela filtrante

3.2. PROCEDIMIENTO3.2.1. Extracción de jugo y clarificación

Luego de la recepción de las cañas, es necesario controlar el peso y lavar. Inmediatamente se extrae el jugo tal como se explicó anteriormente. (Observar figura 1)

Figura 1. Diagrama de operaciones en la obtención del jugo de caña clarificado y concentrado


Caña

Pesado

Trozado

Imbibición

Extracción

Filtrado o colado

Clarificación

Eliminacion de corteza

H3PO4 a pH 5.5

CaO a pH 7.8



Clarificación, en esta operación se considera la previa filtración del jugo bruto, el tratamiento con ácido fosfórico (H3PO4) a pH hasta 5.5 a 5.6, y encalado con CaO, llevando su pH alrededor de 7.8. El calentamiento a 70 °C, decantación natural a 5°C y/o separación forzada con centrifugación, también se consideran.

Finalmente la concentración se llevara a presión atmosférica, por lo que se espera poco rendimiento en sacarosa, con motivo luego de obtener azúcar cristalizado se concentrara solo hasta 65 °Brix. Observar las características de este jarabe obtenido.

3.2.2. Tarea experimental

Elaborar una metodología experimental para la clarificacion del azúcar rubia Identificar las etapas previas al proceso de clarificación Hacer lecturas de color de cada jarabe clarificado

V. RESULTADOS Y DISCUSIONES

Cuadro 1. Características del jugo de Caña de Azúcar

Características

Jugo de caña (Extracción)

Jarabe(Jugo

concentrado)° Brix 16.5 65

pH 6 7

Acidez 0.1255 g/l -

Color Amarillo verduzco Amarillo claro

Aspecto Poco agradable Agradable


Calentamiento

Decantación

Filtración/centrifugación

Concentración

Producto

T: 70 °C

°Brix: 32 – 65, ebullición



general Fuente: Elaboración Propia

DISCUSIÓN DE RESULTADOS: En el cuadro 1 se observa con respecto a los valores de pH, que cuando

teóricamente el jugo encalado debió registrar un valor de pH de 7,5, las lecturas efectuadas para el jugo de caña clarificado fue de 7 reflejando que esta diferencia no afectó negativamente al proceso de clarificación. Esto coincide con lo señalado por Chen (2000), quien indicó que sólo los jugos encalados con pH superior a 8 presentan efectos negativos luego de su clarificación, debido a la acumulación de sales cálcicas en su matriz.

Los resultados en la medición del pH reflejan que éste disminuye en todas las muestras de jugo clarificado con respecto a los valores de pH señalados en el Cuadro 1 para las muestras de jugo de caña encalado. Este comportamiento es ocasionado por la precipitación de grupos fosfatos (alcalinos) en forma de sales insolubles tal como lo plantea Chen (2000)

Según Honig (1969), después de incrementar el pH inicial de 6 del jugo de caña, se evita la hidrólisis y la inversión, el siguiente propósito principal es el de separar la materia en suspensión con objeto de obtener una sedimentación rápida y completa, con un sedimento compacto, dejando así los jugos, ya libres cuanto sea posible de este sedimento.

Según Chen (1991), resulta beneficiosa una agitación enérgica antes de la formación del flóculo, pero después de que este se ha formado el moviendo debe ser extremadamente suave para evitar el precipitado. Esto también fue puesto en práctica, ya luego de echarle el hidróxido de calcio se realizó una agitación breve de unos minutos lo que, por la incorporación de aire, ayuda a que se note mejor la separación de fases.

Según Honig (1969), es un hecho bien conocido que el color del azúcar depende en gran parte del pH de su solución, por otro lado Honig(1969), establece que el color es más oscuro en las soluciones ácidas que en las alcalinas. Además al clarificar el jugo crudo en la caña, el calor y la cal incrementan el color debido a que descomponen los azúcares reductores. La presencia del mismo proveniente el equipo tiende también a incrementar el color obtenido debido a su reacción con los polifenoles. Lo que se puede observar en la práctica, es que la intensidad del color disminuye, es decir, se vuelve de un color más cristalino y se ve reflejado en la muestra de color ya que se ve una clara disminución y Según Chen (1991), el aumento aparente de la pureza entre el jugo crudo y el jugo clarificado, se reconoce hoy en día como de muy poco valor y en realidad puede conducir a error. La sacarosa constituye un criterio más confiable de pureza. Una gran parte del supuesto aumento de la pureza se debe a la remoción de la materia en suspensión. Un aumento puede también indicar una reducción de los sólidos aunque esta posibilidad por lo general se pasa por alto, la elevación de la pureza puede deberse, también, a la destrucción de la levulosa. Honig (1969), menciona el comportamiento particular del color del azúcar crudo durante el almacenamiento. Se hace ver que hay una conexión directa entre el contenido de nitrógeno y el aumento de color durante el almacenamiento.




Según Honig (1969), por solo calentamiento es posible, sin ninguna adición de cal, separar del jugo del molino, por medio de un proceso centrífugo, una cantidad de 0.05 a 0.1g por litro, de materia en suspensión, pero Honig (1969), también afirma que si el pH del jugo clarificado es demasiado bajo, entones no se conseguirá de un modo completo la precipitación de fosfatos, sesquióxidos y ácido silícico (componentes del precipitado), por lo tanto se puede concluir que con el floculante se logra una buena remoción.

Observaciones durante el proceso:


Jugo de caña

Clarificación

Calentamiento

Decantación


Concentración

Se hizo calentar hasta llegar a 70°C x 10 minutos (se hizo un tratamiento agresivo)

Acidificación:pH inicial: 6, luego este pH se baja hasta 5.5 con 7 gotas de ácido fosfórico Encalado:Luego del pH: 5.5 se le subió a pH: 7.8 esto se hizo agregando 1.50 g de hidróxido de calcio (lechada de cal)

Se dejó en refrigeración y se hizo reposar por 3 días, al cabo de este tiempo, se observa una separación de fases.

Jugo Inicial: 2 580 ml

Se filtró una parte del jugo clarificado y el resto se centrifugo por 10 min a 2500 rpm

Se concentró el jugo clarificado a 65 °Brix



A pesar de una gran variedad de reacciones e interacciones que tienen lugar durante el clarificación de jugo de caña de azúcar, la química de los fosfatos de calcio formados en el jugo es el aspecto más importante para la separación sólido-líquido (Doherty, 2011; Doherty y Rackemann, 2009) . El jugo de la caña de azúcar contiene fosfatos solubles inorgánicos, que reaccionan con los iones de Ca2 + disponibles a partir de la adición de cal para formar un precipitado de fosfato de calcio, que participan en la formación de floculos ( Doherty y Edye , 1999 ).

La precipitación con fosfato de calcio implica la formación de varias fases en el jugo de la caña de azúcar. Deben (1976) informó que la precipitación de diversos fosfatos de calcio en el jugo de la caña de azúcar se produce a partir de la reacción inicial se muestra en la Ecuación 2.1. Debido a la formación de fosfato dicálcico insoluble e inestable en el agua, la reacción secundaria tiene lugar para formar fosfato de calcio intermedia fases y en última instancia apatita (por ejemplo, hidroxiapatita, HAP) , el más estable compuesto de las fases de fosfato de calcio, como se muestra en las ecuaciones 2.2 , 2.3 , 2.4y 2.5 ( Deben, 1976 )

Los factores determinantes que están asociados con el tipo de fase de fosfato de calcio formados son: la concentración de calcio y fosfato, el pH y la naturaleza de la interfaz de partículas ( Nancollas et al., 1979 )


Producto Jugo clarificado concentrado a 65 °Brix: 400 ml



Obtenido el producto, se discutirá las operaciones realizadas, con el respectivo balance de masas

Operaciones de entrada y sa lida Balance de masas Discusiones

Se tomó controles de pH, °Brix y acidez del jugo de caña de antes de clarificarlo.

En el clarificado, se obtuvo anteriormente un valor de pH de 6, el cual se bajo hasta 5.5 con ácido fosfórico, luego se subió hasta un pH de 7.8 agregando lechada de cal con el propósito principal de obtener una sedimentación rápida y completa.

En el calentamiento se perdió 202.13 ml de agua, quedando un volumen de 2378.87 ml.

El proceso de centrifugación,se realizó por un tiempo de 10 min. y se obtuvo un volumen de 2305


Jugo de caña

(Extracción)

2580 ml

Clarificación

Ácido fosforico : 7 gotasHidróxido de calcio: 1.50 g.

2580 ml

Filtración/Centrifugació

n

Jugo filtrado: 2305 ml

Caña

Pesado

Trozado

Imbibición

Extracción

Filtrado o colado

Clarificación

Calentamiento

Decantación Peso de la torta: 73.87 g.


Eliminación de corteza

Jugo filtrado: 2305 ml

H3PO4 a pH 5.5

CaO a pH 7.8

T: 70 °C

Jugo concentrado: 400 ml

Concentración

Agua vaporizada: 1905 ml

Calentamiento

2581 ml 2378.87

2378.87 ml

Agua evaporada: 202.13 ml ml

2581 ml



ml de jugo filtrado y de residuo una torta de 73.87 g.

El proceso de concentración se dio a una temperatura de 65°C, donde se evaporo 1950 ml de agua, obteniendo así 400 ml de jugo concentrado.

Reportar los puntos críticos

a) Inversión

Fenómeno que se acentúa en la medida que se incrementa la temperatura. Se puede atenuar con adición de cal o con la disminución de los tiempos de resistencia.

Se acentúa debido a las altas temperaturas. Es conveniente entonces, que la concentración se realice en el menor tiempo posible.

b) Calidad de la calSe debe asegurar la pureza y disolución en agua de la cal con el fin de no incrementar el porcentaje de sólidos insolubles en la panela.

c) Dosis y forma de aplicación de la cal

Es conveniente hacerlo en forma fraccionada, la mitad en la paila clarificadora y el resto en forma proporcional de acuerdo al número de puntos. Su dosis depende del PH inicial del jugo.

Un exceso de cal ocasiona coloraciones oscuras de la panela y una deficiencia contribuye al mal "grano" o textura de la misma.


Concentración

Producto

°Brix: 32 – 65, ebullición

Agua vaporizada: 1905 ml



Realice un esquema del clarificador, filtros prensa, concentrador, evaporador al vacío simple y en múltiples efectos, señale sus partes y accesorios.

Clarificador

Filtros prensa




Concentrador




Evaporador al vacío simple

Evaporador en múltiple efecto

Fuente: Kenneth J. 1983




VI. CONCLUSIONES

VII. RECOMENDACIONES Debe evitarse las altas temperaturas por periodos largos ya que provocan la

inversión del azúcar contenido en el jugo. Debe medirse el pH con sumo cuidado y con instrumentos en buen estado para

así evitar clarificaciones ineficientes, como en el caso de la práctica realizada en laboratorio, a causa de una mala medición de pH las cantidades de cal y ácido fosfórico fueron ineficientes y no lograron separar en fases el jugo de caña de azúcar, por lo que se tuvo que realizar el procedimiento dos veces.

VIII. BIBLIOGRAFIA

o BELL, KENNETH J. Thermal and hydraulic design of heat exchangers. Washington; New York ; London : Hemisphere Publishing Corporation, cop. 1983.




o Honig, Pieter. 1968. Principios de tecnología azucarera. Editorial Continental S.A., Tomo 1.

o Chen, J. 1991. manual del Azúcar de Caña. Primera Edición. Editorial Limusa. México.




ANEXOS

PROCESO DE OBTENCION DE JUGO CLARIFICADO


Materia Prima: Caña de azúcar Pesado de la MP

Lavado y troceado Inhibición




Extracción Filtrado o colado

Clarificación

Medición del pH y agregado de ácido fosfórico

Agregación de hidróxido de calcio

Calentamiento Decantación




Filtración / centrifugación Concentración

Producto




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Documents

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