DESCRIPCIN DE UN PROCESO PARA LA ELABORACIN DE PILONCILLO A
PARTIR DE CAA DE AZCAR Dr. Benoit FOUCONNIER Introduccin: El
piloncillo es un producto elaborado a partir de jugo de caa de
azcar sin refinar
ypresentaunaconsistenciaslidamoldeadadediversasformas.Enotrospases
comoColombia,seleconocecomoelnombredepanelayjaggeryogurenla
India.Elpiloncilloesunodelosproductosquehasidoelaboradodesdemucho
tiempo,prcticamenteentodoslospasesproductoresdecaadeazcar[1].La
Indiaeselprincipalproductordepiloncilloanivelmundial,perootros
productores como Colombia y Pakistn tienen mayor consumo per cpita
de 0.5 kg
depiloncilloporao[1].En1999,Mxicorealizuncensoeconmicoendonde
partedelainformacinobtenidaresultquelosprincipalessectoresqueutilizan
el piloncillo dentro de sus procesos se encuentran en la industria
del caf, bebidas
destiladasdeagave,envasadosdefrutasylegumbresylaelaboracindebebidas
destiladasapartirdelauva[2].Elpiloncilloesunproductoquehasido
considerado como un alimento sano, rico en sales minerales y
vitaminas, las cuales
sonconservadasdebidoalprocesodeelaboracin,elcualevitaprdidasdelas
propiedades del jugo de la caa [3]. Tambin se ha demostrado que el
consumo de
piloncillotieneunaaccinpreventivaenlaslesionespulmonares,producidasa
trabajadoresporcondicionespolvorientasyllenasdehumo[3].Laproduccina
escala industrial del piloncillo presenta una alternativa a los
pequeos productores para procesar su propia produccin de caa de
azcar. La elaboracin de piloncillo
sehacegeneralmenteeninstalacionesrsticasconungradomnimode
tecnificacin. El piloncillo se obtiene a partir de la evaporacin
del jugo de la caa hasta llegar a la cristalizacin de la sacarosa,
formando un aglomerado de cristales sin pasar por un proceso de
refinacin, con una consistencia slida y generalmente
conunacoloracindecafpardo.Losadelantadostecnolgicosenrelacinal
procesamientodelacaadeazcarhansidoenfocadosprincipalmente,ala
industria del azcarrefinada y pocas adaptaciones se han adecuadoal
proceso de
elaboracindelpiloncilloquesehamantenidocomounaindustriaruralcon
procesos
artesanales.Elprocesodeelaboracinyproduccindepiloncillosedivideen3etapas:La
primeraserefierealapreparacindelacaadeazcaryextraccindejugo,la
segundaconsisteenelclarificadoyconcentracindeljugoylaltimaetapaesel
moldeo del piloncillo.El objetivo de este proyecto se dedica al
diseo de evaporadores para concentrar el
jugoclarificadodecaadeazcar.Despusdeunabrevedescripcinsobrela
preparacin de la caa de azcar y la extraccin del jugo, presentar el
proceso de clarificado y concentrado tomando en cuenta la
determinacin de propiedades del
jugodecaadeazcar,elefectodesuspropiedadesfisicoqumicasylos
parmetros de diseo de dicho proceso de
evaporacin.Cabemencionarquelacalidaddelacaaesfundamental,yaqueeselusode
materia prima de calidad, se reflejaren el producto final. Para una
produccin de calidad de piloncillo, el jugo de caa en el proceso de
elaboracin no debe rebasar la concentracin del 1% en Azcares
Reductores Directos (ARD). La concentracin
delosARDesunparmetroprincipalamedirentodalacadenadelprocesode
elaboracinyaquesteparmetroesunindicadorimportantedelacalidaddel
piloncillo, el cual se refleja en la dureza del producto en su
etapa final. Preparacin de la caa de azcar y extraccin de jugo
Laprimeraetapacomienzaconlapreparacindelacaadeazcar:unabanda
transportadoradosificalacantidaddecaaparahacerlapasarporunequipo
desmenuzador.Esteequipoestaconstituidoporrotoresconcuchillasquealgirar
trituranlacaadeazcarparareducirsutamaoyfacilitarlaextraccindejugo.
Eldesmenuzadordescargalacaatrituradasobreunasbandastransportadores
que llevan el material a una serie de molienda. El primer molino
extrae la primera fraccin del jugo contenido en la caa de azcar
desmenuzada y es acoplado a una banda transportadora que traslada
el bagazo a otro molino secundario que extrae una segunda fraccin
de jugo a la caa picada produciendo como residuo lo que se
dominaelbagazosinjugo.Estebagazosinjugoseutilizaposteriormentecomo
productoparaotraaplicacincomo:combustibleparacalderas,produccinde
etanol, alimento para ganado etc. Una vez que los molinos descargan
el jugo extrado sobre un tanque recolector, es conducido a un
sistema de filtracin de placa perforada con orificios de 0.3 a 1 mm
de dimetro aproximadamente con la finalidad de separar las
partculas de bagazo que se arrastran y que son recirculadas
nuevamente al molino secundario. El jugo
filtradofluyeporunatuberahaciaunatrampadeslidosdenominada
prelimpiador,cuyopropsitoesladesepararlaspartculassedimentablesylas
partculasquesemantienenenflotacinconlaespumaqueacompaaeljugo.En
este sistema el tanque receptor de jugo lo conduce hacia el proceso
de clarificado y concentracin. Clarificacin del jugo de caa de
azcar El proceso de clarificacin del jugo, esta integrado por un
tanque de formulacin el
cualtieneunsistemadecalentamientoyagitacin.Esterecibeeljugofiltrado,lo
precalienta hasta una temperatura de 90C y se adicionan 200 a 300
ppm de cido
fosfricogradoalimenticioal75%.Posteriormenteseagregaelxidodecalcioal
20% w/v en agua, para ajustar el pH hasta un valor entre 6.2 y 7.0
[4,5].El tanque
deformulacinasuvezestaconectadomediantetuberasconunsistemade
tanquesclarificadoresporsedimentacindondesedejansedimentarlas
sustanciasindeseables.Estostanquesinterconectadosentresdescarganeljugo
clarificado a un tanque receptor para su concentracin. Diseo del
proceso de evaporacin: Concentracin del jugo
Afindeahorrarlaenergaconsumidapararealizarlaconcentracindeljugo,los
evaporadoressongeneralmentedeefectosmltiplesyenocasionescon
termocompresin,compresinmecnicadevaporrecuperacindevaporpara
asegurar otras necesidades en la empresa. En un evaporador de
efecto mltiple varias unidades de evaporacin son colocadas
enserieyelvaporliberadodeunefectoseconvierteenvapordecalentamiento
delefectoquesigue.Segnelsentidodecirculacindellquidoydelvapor,se
dominaevaporadoraco-corrientesielvaporyellquidosiguenlamisma
direccin a contracorriente si el lquido circula en el sentido
contrario del vapor.
Lafigura1presentaelprincipiodeunevaporadoraco-corrientea3efectos.Por
convencin,losproductos(vaporlquido)deentradaenelefectoillevanel
ndice (i-1) y los productos de salida el ndice i. Por ejemplo, V0 y
L0 por el vapor y el lquido de entrada en el efecto 1, y VE1, L1 y
C1, para el vapor liberado, el vapor y el condensado de salida.
Figura1:Esquemadelprincipiodeunevaporadordeefectomltipleaco-corriente.
Cabemencionarqueentalsistemalatemperaturadeebullicindellquidoes
siempreinferioraladelacondensacindelvapordecalentamientodelotrolado
delapared.Unperfildepresinseestablececomolopresentalafigura2.Este
perfildepresinengendraunperfildetemperaturaelcualesligeramente
diferentesegnquelosevaporadoressonconebullicinenlazonade
transferencia de calor o a circulacinforzada.
Porelefectoi,elvapordecalentamientosecondensaalatemperatura(uVi-1)
correspondientealapresin(pVi-1)enlazonadecalentamiento.Delladodel
producto,latemperaturadeebullicindellquido(uLi)esfijadoporlapresin
(pVEi) y el aumento ebulloscpico (EELi) considerado constante a lo
largo del tubo.
Elvaporliberadodelproductoesligeramentesobrecalentado.El
sobrecalentamientocorrespondealaumentoebulloscpicodelasolucin.La
diferenciadeentalpaentreestevaporsobrecalentadoyelvaporsaturado
correspondienteesdespreciableparalosproductospocosconcentrados.Elvapor
estaaspiradohaciaelefectosiguientedebidoalacondensacinqueseproduce.
Tomandoencuentaunapequeaperdidadecargadelvaporparapasardeun efecto
al otro, dicho vapor se condensa a una temperatura inferior. As se
establece
unperfildetemperaturaelcualesunaconsecuenciadelaevolucindelos
coeficientesdeintercambio,delosaumentosebulloscpicosydelasperdidasde
carga,porloquecadaefectoevaporaaproximadamenteelmismoflujo(Sin
recuperacin).
Figura2:Perfildepresionesydetemperaturasdeunevaporadordeefecto
mltiple.
Porelhechodequealgunasdisminucionesdetemperaturasseimponenyque
otrasalcontrariosontilesparalatransferenciadecalor,entoncesescomn
hablardecadanocivadetemperatura(aumentoebulloscpico,prdidade carga)
y de cada til de temperatura ( uVi1satuLi) para un flujo
descendente. Solo las cadas tiles participan a la transferencia de
calor. Para determinar el nmero de efectos (n) que es posible
instalar, se debe tomar en cuenta la diferencia total de
temperatura entre el vapor de calentamiento (uV0) y el
ltimovaporliberadoaspiradoporelcondensador(uVn).Esosepuedeescribir
mediante la ecuacin 1: u ()total=uV 0 uVn( )= Auutl( )i
+i=1nAunociva( )ii=1n
LatemperaturadelvaporV0esgeneralmentelimitadaporlatermosensibilidad
delproductoyladelltimovaporliberado(Vn),porlapresinmnimaquees
posiblemanteneralcondensadordeunaparteyalcomportamientodelproducto
concentrado(viscosidad)porotraparte.Escomnencontrarefectosde2a7
efectos en las aplicaciones de la industria alimentaria. El
principal inters de un evaporador a efecto mltiple es la reduccin
importante del consumo de vapor. Tomando como hiptesis sencilla
que1 kg de vapor que se
condensapermiteevaporar1kgdeaguaapartirdeunlquidohirviendo,el
consumo de vapor es igual a la cantidad de agua a evaporar dividido
por el nmero de efectos como: m V 0 ~m L0 m Lnn El consumo
energtico promedio (CEP) sigue la misma ecuacin: CEP = AHvapaguan
CEM en kJ Consumidos/kg de agua evaporada.
Enelintersdeoptimizacinenergticadelcircuito,escomnprocederauna
expansinsucesivadeloscondensadosllevndolosentanquesllamadosde
expansinencontactoconelefectosiguiente.Loscondensadosseenfran
gradualmenteliberandovaporlacualesreinyectadaenelcircuitodevaporde
calentamiento(verfigura1).Enelcasodeinstalacionesconelprimerefecto
alimentadoconvapordecaldera,sepuedeencontrardosseriesdetanquede
expansin,unaenlacualcirculaelcondensadoresultantedelvaporde
calentamientoylaotraenlacualcirculalosotroscondensados.Elprimer
condensadopuedeserrecirculadoenlacalderaporqueesteresultadeunvapor
limpiomientrasquelosotrossonutilizadosenaguadeprocesosoenviados
para tratamientos porque contienen compuestos que se vaporizaron
con el agua. Dentro de un evaporador de efecto mltiple a
co-corriente, la circulacin se puede
realizarsinningunabombasilosevaporadoressondepelculaascendenteyde
solo paso. Sin embargo para los evaporadores de pelcula
descendente, las bombas son obviamente requeridas. Para
evaporadores de efecto mltiple a co-corriente, el coeficiente de
transferencia
decalordelladodellquidocaeconsiderablementeamedidadelosefectos,
porquelaviscosidaddelproductoaumentadebidoalaumentoenel contenidode
materiasecaydeigualmaneraaladisminucindetemperatura.Paraqueel
tamaodelosevaporadoresnoaumentamuchoenlosltimosefectosescomn
utilizarunadiferenciadetemperaturatilcrecienteparacompensarlacadadel
coeficiente de transferencia. Consideracin del funcionamiento
secuencial de un evaporador La capacidad mnima de una instalacin
debe ser determinada tomando en cuenta
tiemposdeoperacinefectivosytiemposmuertosdeoperacin(puestaen
marcha,limpieza,mantenimiento).Enparticularesimportanteconsiderarlos
tiempos de puesta en marcha y de establecimiento de rgimen.
Tambinesimportantetomarencuentaelenmugrecimientodelevaporadorque
implica una disminucin del flujo de evaporacin.
Duranteelcalentamientooelaumentoenconcentracin,reacciones
complejasse
producendentrodelproductoperotambinsobrelasuperficiedeintercambio.
Esopuedellevaralaformacindeunacapadeenmugrecimientolacualpuede
llevaraunadisminucindelcoeficientedeintercambioglobalqueimplicauna
reduccin del rendimiento energtico y se traduce por:
-Unaumentodeladiferenciadetemperaturaentreelvaporde
calentamientoyelproductoenelcasodeunfuncionamientoaflujode
evaporacin constante
-Unadisminucindelacapacidaddeevaporacinenelcasodeun funcionamiento
con una diferencia de temperatura constante
-Elenmugrecimientopuedeafectarlacalidaddelproductofinalcomola
liberacindepedazosdedepsitoenelconcentrado,ladegradacindel
productodebidoatemperaturasmuyelevadasoporproliferacindebacterias.
Deloanterior,sedeberdeterminarelnmerodeefectoparaelprocesode
evaporacin y tomar en cuenta las condiciones de operacin con el fin
de optimizar el proceso sin perder la calidad del producto deseado.
Por ejemplo se podr probar
unprocesodeevaporacindedobleefectoconunvacode500mmdemercurio para
el primer efecto a una temperatura de 75C mientras que en el
segundo efecto
seaplicar55Cunvacode550mmdemercurioa55C.Sedeberconocerla
concentracin del jugo a la alimentacin y debe ser alrededor de
18-22BX y debe
saliraunaconcentracindehasta75BXenformadejarabe.Igualmente,se
deberdeterminarlaconcentracindeAzcaresReductoresDirectoresconla
intencindetenerelcontroldesuconcentracinparaquenoaumente
excesivamente afectando la calidad del producto.
Esmuyimportantecontrolarlastemperaturasdeoperacindelosprocesosde
clarificacinydeevaporacinparanodescomponerlasacarosadeljugopor
hidrlisis.Lahidrlisisesprovocadaporelcalorquesevaaaplicarenlos
evaporadores.Lahidrlisisdelasacarosatieneunarelacindirectaconlos
azcaresreductoresdirectosrespectoalosazcaresreductorestotales.Esta
relacin va aumentado su valor en las etapas del proceso en donde se
aplica calor
enformaconsiderablealproceso.Elaumentodelahidrlisisdelasacarosase
debe a que el rompimiento del enlace glucosdico es muy dbil, ya que
necesita 26
kcal/molpararomperelenlaceentrelaglucosayfructosa[6].Igualmente,la
temperaturaprovocaciertahidrlisisenlasacarosacomotambinpuede
provocardeshidratacinenlosmonosacridosprovocandocoloresyolores
indeseables [6].
Ademsdecontrolarlascondicionesdeoperacindelosevaporadoresseharn
balancesdemateriayenergaparaestudiarlafactibilidadeconmicadedicho
proceso.
Porelloseescribirlosbalancesdemateriayenergaenlosevaporadoresylos
condensadores.
ConsiderandounevaporadorsimpledondeunlquidoL0yunvaporV0entrany
donde sale un lquido concentrado L1, condensados C1, un vapor
liberado VE1 y un vapor de barrido (ver figura 3). Figura 3:
Esquema de un evaporador para balances de materia y energa En el
rgimen estacionario se puede escribir: -Los balances de materia del
lado vapor y lquido: m L0 = m L1+ m VE1 y m L0 = m L1+ m VE1 -El
balance de materias secas: m L0XL0 = m L1XL1 -El Balance entlpico:
Q 1 = ( m V 0 mVbarrido)AHV 0 q perdidas ~ m VE1AHVE1 -Balances en
el condensador de pared (ver figura 4):
SepodrdeterminarlasuperficieAcondensadordelcondensadorquedependedel
coeficientedetransferenciapromediodelcondensadorhcondensadorydelpromedio
logartmicodeladiferenciadetemperaturaentreelvaporencondensacinyel
agua Autil: Acondensador = Q condensadorhcondensadorAutil
Conclusin
Estetrabajoseenfocaenladeterminacindelascondicionesdeoperacindel
procesodeevaporacindeljugodecaadeazcarparaproducirunpiloncillo de
calidadconpropiedadessensorialesadecuadasparasatisfacerlasexigenciasdel
consumidor.Paraello,senecesitardesarrollarunprocesosemi-contnuo
considerando la tres etapas de la elaboracin del piloncillo: la
extraccin del jugo, su clarificacin y concentracin y finalmente su
moldeo. La dureza del piloncillo es
unacaractersticamuyimportantequedescribelacalidaddelproductoyest
ligada directamente a la concentracin de Azcares Reductores
Directos durante el
procesodeelaboracin.Entonceslaaplicacindetemperaturasalolargodel
procesodeelaboracinserunparmetrosprincipalamanejarporquelas
temperaturasmuyaltasdurantetiemposprolongadospuedengeneraraumento
considerableenlasconcentracionesdeAzcaresReductoresDirectosyafectarla
propiedades sensoriales del piloncillo y su moldeo. Referencias:
[1] Instituto Amboisse de Francia (1999). http://www.quassab.com/En
[2] Censo economico INEGI (1999). http://www.inegi.gob.mx
[3]AnuandP.SahuandAshokK.Saxena,(1994).Enhancedtranslocationof
particles from lungd by jaggery. Environ Health Perspect. 102
(suppl 5): 211-214.
[4]HugotE.(1986).Handbookofcanesugarsugarengineering.ThirdEdition.
399-416. Elsevier Amsterdam, Netherland. [5] Chen, C.P. Jemes.
Manual del azcar de caa. Primera reimpresin. Edit. Limusa S.A. de
C.V. Mxico.
[6]Badui,J.D.S.(1995).Qumicadelosalimentos.3edicin,2reimpresin.P.
62-65. Edit. Alambra Mexicana S.A. de C.V. Mxico.
