obtenciÓn de productos de valor agregado a partir …

1

OBTENCIÓN DE PRODUCTOS DE VALOR AGREGADO A PARTIR DEL

PROCESAMIENTO DE JUGO DE CAÑA PANELERA DE LA HOYA DEL RÍO

SUÁREZ

Proyecto de Grado

Por

ANGÉLICA MARÍA AUNTA DÍAZ

LAURA MARÍA SICHACÁ IZQUIERDO

Presentado a la Oficina de Estudios de Pregrado de

Universidad de los Andes

En cumplimiento parcial de los requisitos para el título de

INGENIERO QUÍMICO

[Octubre de 2013]

Asesor

ROCIO SIERRA, M.Sc, Ph.D

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

BOGOTÁ D.C

2

OBTENCIÓN DE PRODUCTOS DE VALOR AGREGADO A PARTIR DEL

PROCESAMIENTO DE JUGO DE CAÑA PANELERA DE LA HOYA DEL RÍO

SUÁREZ

Proyecto de Grado

Por

ANGÉLICA MARÍA AUNTA DÍAZ

LAURA MARÍA SICHACÁ IZQUIERDO

Presentado a la Oficina de Estudios de Pregrado de

Universidad de los Andes

En cumplimiento parcial de los requisitos para el título de

INGENIERO QUÍMICO

Aprobada por

ROCIO SIERRA, Ph.D

PABLO ORTIZ HERRERA, Ph.D

[Octubre de 2013]

3

iii

ABSTRACT

Production of value added products from processing sugar cane juice from Hoya del Río Suarez.

(October of 2013)

Angélica María Aunta Díaz, Universidad de los Andes, Colombia.

Laura María Sichacá Izquierdo, Universidad de los Andes, Colombia.

Asesora: Dr. Rocio Sierra Ramírez

In order to establish mass and energy balances in industrial processes of developing

alternatives products to sugar cane in this paper we evaluated some operating conditions for

the production of honey inverted, tafia and ethanol from sugar cane. At laboratory scale

experiments were performed to identify within the conditions tested, those in which the

acid hydrolysis of sucrose in the cane juice results in the production of honey inverted with

the highest conversion of sucrose (best quality). We identified the best honey inverted

obtained from sugar cane juice with 50°Brix, using acids (citric and phosphoric acids) in a

concentration of 4% (w/w) and 121°C for citric acid or 90°C (acid phosphoric).

Additionally, at bench scale, fermentation was carried out using Saccharomyces cerevisiae

for a period of 36 hours at 36 ° C from cane clarified cane juice and 13°Brix. The expected

product of this fermentation is a mixture of non-fermented solids and alcohols called tafia,

which is raw material for rum production. After fermentation, we obtained tafia containing

34 % (w/w) of ethanol. Once tafia was obtained this was distilled out in a batch process, for

4 hours. Through this process, we obtained a distillate with 81.9% of ethanol. With these

results, it could be concluded that using the method of this paper, it’s possible obtain a yield

of 19.05% ethanol in volume (15.08 g of ethanol/100 g cane juice)

Keywords: Glucose, Fructose, Phosphoric Acid, Hydrolysis, Fermentation, Destillation

4

iv

RESUMEN

Obtención de productos de valor agregado a partir del procesamiento de jugo de caña panelera de la

Hoya del Río Suárez

(Octubre de 2013)

Angélica María Aunta Díaz, Universidad de los Andes, Colombia.

Laura María Sichacá Izquierdo, Universidad de los Andes, Colombia.

Asesora: Dr. Rocío Sierra Ramírez

Para establecer balances másicos y energéticos en los procesos industriales de elaboración

de productos alternativos a la panela, en el presente trabajo se evaluaron diversas

condiciones de operación para la producción de mieles invertidas, etanol y tafias a partir de

jugo de caña. A escala laboratorio, se realizaron experimentos que buscaban identificar,

dentro de las condiciones probadas, aquellas en las que la hidrólisis ácida de la sacarosa en

el jugo de caña resulta en la producción de mieles invertidas con la mayor conversión de

sacarosa (mejor calidad). Se identificó que las mejores mieles invertidas obtenidas a partir

de jugo de caña clarificado y concentrado a 50º Brix, se fabrican usando ácidos (cítrico y

fosfórico) en una concentración de 4% (p/p) y a 121ºC (ácido cítrico) o 90ºC (ácido

fosfórico). Adicionalmente, a escala banco, se realizaron fermentaciones, con

Saccharomyces Cerevisiae por 36 h a 36°C a partir de jugo de caña clarificado y a 13ºBrix.

El producto esperado de estas fermentaciones es una mezcla de sólidos no fermentados y

alcoholes a la que se denomina tafia, la cual es materia prima para la producción de ron.

Después de la fermentación, se encontró tafia con contenido de etanol de 34% (p/p). Una

vez se obtuvo la tafia, se procedió a destilar en un proceso por lotes, durante 4 horas. A

través de este procedimiento, pudo obtenerse un destilado con una concentración de etanol

del 81.9 % (p/p). Con estos resultados, pudo concluirse que a través del procedimiento

aplicado en este estudio, puede obtenerse un rendimiento de etanol del 19.05% en volumen

(15.08 g de alcohol producido/100 g de jugo de caña).

Palabras clave: Glucosa, Ácido Fosfórico, Hidrólisis, Fermentación, Destilación.

5

v

DEDICATORIA

Este trabajo se lo dedico a mi familia. A mi papá por su amor, por siempre tener una

palabra de aliento, por su positivismo y su energía en cada momento de mi vida. A mi

mamá por sus oraciones, su amor y sus caricias, por su bendición cada mañana. A mi

hermanita por su apoyo, su paciencia y su compañía, por ser un ejemplo en muchos

aspectos de mi vida. A ellos solo decirles que Los Amo y lo logramos

Angélica María Aunta Díaz

Quiero dedicarle este trabajo a mi familia, ustedes son los amores de mi vida. En especial a

ti Nubia Izquierdo, eres mi ejemplo a seguir, soy orgullosa y feliz de que seas mi mamá.

Gracias por tu inmenso apoyo, por darme tanto amor, por tus bendiciones, por consentirme

y cuidarme tanto, por tu seguridad y buenas energías, por darme tranquilidad y hacerme

saber que de la mano de Dios las cosas siempre saldrán bien. Gracias por hacer de mí una

niña consentida y a la vez una mujer fuerte, por inculcarme los mejores sentimientos y la

responsabilidad y el gusto al hacer cada uno de mis trabajos, también a ser estricta con mis

cosas. Te dedico este y todos mis triunfos porque Te Amo y es tu sonrisa el mayor impulso

que puedo tener, mi princesa divina. A ti Jairo Sichacá, porque te admiro mucho, siempre

quise ser como tú y siento que hoy lo estoy logrando. Tus caricias, tu amor y tu inocencia

me han llenado de energía para alcanzar mis metas. A pesar de todas las pruebas que has

tenido que vivir, eres mi héroe papá, Te Amo inmensamente y no hay nada que nos pueda

separar, sueño con que algún día volverás a caminar. A ti David, porque desde pequeño

siempre hemos sido unidos y me has dado un gran apoyo, por cuidarme y darme tu amor.

Gracias por tu compañía y por esa gran energía, te quiero mi bebé. A ti mi María Jimena,

mi pequeñita, te quiero hermanita. Te agradezco por darme fuerzas cuando más lo he

necesitado, porque a pesar de tu edad me has hecho críticas que me han hecho crecer y por

darme amor a tu manera. Espero seguir siendo tu ejemplo a seguir como hermana mayor.

Ustedes son el mayor tesoro que la vida me ha dado, los cinco hemos enfrentado duras

batallas y seguiremos luchando unidos porque no hay amor más grande que el nuestro. Este

logro es de todos. ¡Los amo!

Laura María Sichacá Izquierdo

6

vi

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecerle a Dios por haber puesto cada cosa en mi vida, porque toda situación es un

aprendizaje ya sea bueno o malo, por permitirme culminar esta carrera con una gran satisfacción del

deber cumplido. A nuestra asesora Rocío Sierra, por permitirnos desarrollar este proyecto, por sus

consejos, asesoría y apoyo. A mi familia (TODA) por su apoyo, su preocupación, sus ganas de

ayudar y de ser parte de todo esto. A los técnicos del laboratorio por su disposición y colaboración

en cada uno de los procedimientos, especialmente a Deicy Tique. A todos aquellos a los que se me

pase mencionar pero que siempre han estado ahí para mí, gracias por compartir conmigo esta etapa

de mi vida.

A mis amigos por sus consejos, distracciones y compañía. A Ale por ser la primera persona que me

brindo su amistad en la universidad, por sus locuras que le dan humor a la vida y por estar

incondicionalmente a mi lado a pesar de no estar siempre juntas. A José por el cariño, el apoyo, la

buena energía y la compañía durante ese tiempo. A Mafe porque a pesar de muchas situaciones de

la vida siempre estuvo atenta a escuchar lo que tenía que decir, por sus opiniones y preocupación. A

David gracias por tanto, por ser más que amigo, confidente, compañero, un apoyo en mi estudio y

en mi vida, por toda la ayuda y el cariño en estos años mil gracias. Por último pero no menos

importante debo agradecerle a Laura Sichacá por haber aceptado trabajar conmigo en este proyecto,

por la amistad que me brindo todos estos años, por su impulso y por incitarme a ser una mejor

estudiante, gracias por todo lo que me enseñaste, por las duras críticas y el apoyo que siempre me

brindaste. A ella que la quiero y que a pesar de las muchas dificultades siempre será así.

Angélica María Aunta Díaz

Gracias infinitas le doy a Dios porque me ha dado grandes oportunidades, por todos y cada

uno de los momentos difíciles y alegres porque he aprendido, he crecido y porque al final

me he dado cuenta de que nada ha sido en vano. Por darme la familia más hermosa y por

permitirme terminar mi carrera de Ingeniería Química con alegría, con la satisfacción de

haber superado los obstáculos de esta profesión. Le agradezco a Rocío Sierra, por creer en

Angie y en mí, por ser nuestra asesora y por habernos permitido llevar a cabo este trabajo

con sus consejos y apoyo. Les agradezco a las personas que de una u otra forma nos

colaboraron, al personal del laboratorio y al departamento de Ingeniería Química de la

Universidad de los Andes, en especial a Deicy Tique que con sus conocimientos y

amabilidad, contribuyó a que nuestro proceso experimental fuera el mejor posible.

A la familia Sichacá Izquierdo por su amor, a mi abuelito Humberto, a mis tías, Pili y

Sandra, en especial a mi tía Zulma que la quiero mucho, gracias por su amor y por ser como

la llamo tiernamente “Mi segunda mamá” y a mi tía Soledad por su cariño y por ser un gran

apoyo desde el inicio de mi carrera, por ser un ejemplo de responsabilidad y constancia en

esta profesión. A mi tío Mao y a mis primas Mafe, Valentina y Valeria. A Yobana

Gonzáles y a Cristina Hoyos por ser tan especiales conmigo y con mi familia. ¡Los quiero

Mucho!

7

A mis amigos por su incondicional compañía y cariño, esta época en la Universidad

permitió que conociera personas adorables, a mi Cata Ramírez que nunca me ha fallado y

quiero demasiado y a Jaime Rodríguez, que sin duda es mi mejor amigo, ¡Te quiero baby!

A las integrantes de mi cuarteto favorito Angie, Mafe Cuesta y Jess Uribe. Compañeras y

amigas, que a pesar de las diferencias y de las peleas tontas, las quiero mucho, tengo en mi

mente y corazón los mejores recuerdos de cada una, ya me hacen falta. A David Henao por

su amistad con Angie y conmigo, por su ayuda en nuestros estudios en especial con los

programas. Con todo el cariño quiero darte las gracias a ti, Diego Tierradentro porque has

sido un gran apoyo en estos cinco meses, por tu ayuda, paciencia, conocimientos,

comprensión, oraciones, por facilitarnos el jugo de caña y en especial por tu amor que está

hecho a prueba de balas.

Gracias a Proquinal S.A. por este año laboral que llevo con ustedes, por darme esta

oportunidad, por permitirme crecer, aprender y aplicar los conocimientos de mi carrera. En

especial a mis jefes Ricardo Santana y Pascal Marly, por creer en mí desde el principio. Por

su comprensión, por todos los permisos que amablemente me dieron, por sus consejos,

apoyo y por sus buenas energías.

Finalmente, gracias a Angélica Aunta, a la señora Amanda, al señor Juan Carlos y a

Lorena. Porque me brindaron al igual que a su hija y hermana, un gran apoyo. Por sus

consejos y su cariño. Por apoyarnos en las dificultades a Angie y a mí. A ti Angie porque

fuiste una gran compañera de proyecto de grado. Porque como equipo de trabajo siempre

hemos sabido trabajar, cumplir, aprender y triunfar. Gracias por ser mi compañera, amiga y

a pesar de todo confidentes. Aunque no me entiendas en muchas cosas y situaciones. Te

quiero, supongo que de eso también se trata la amistad.

Laura María Sichacá Izquierdo

8

viii

TABLA DE CONTENIDO

ABSTRACT……...……………………………………………………………………...….iii

RESUMEN...…………………………………………………………………………….....iv

DEDICATORIA………………………………………………………………………….…v

AGRADECIMIENTOS.……………………………………………………………………vi

TABLA DE CONTENIDO…………………………………………………………….....viii

LISTA DE FIGURAS………………………………………………….…………………...x

LISTA DE TABLAS...……………………………………………………………….…….xi

CAPITULOS

I. INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 13

Panela y su proceso de producción ........................................................................... 14

Productos y procesos alternativos a la panela ........................................................... 15

II. METODOLOGÍA ............................................................................................. 19

Hidrolisis ácida (Inversión de mieles y jugos) .......................................................... 19

Cuantificación de la inversión de mieles ................................................... 20

Fermentación ............................................................................................................ 21

Fermentación en laboratorio. ..................................................................... 21

Fermentación en escala banco ................................................................... 21

Destilación ................................................................................................................ 22

Destilación a escala laboratorio. ................................................................ 22

Destilación a escala banco. ........................................................................ 23

Rectificación .............................................................................................. 24

Identificación de alcoholes en los destilados ............................................. 24

Caracterización de las mieles invertidas ................................................................... 24

Determinación de Humedad ...................................................................... 24

Coliformes totales ...................................................................................... 25

Grados Brix, porcentaje de Sacarosa y pH ................................................ 25

Simulación del proceso ............................................................................................. 26

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...................................................................... 28

Hidrólisis de jugos y mieles ...................................................................................... 28

9

Hidrólisis de mieles con 70°Brix ............................................................... 28

Hidrólisis de mieles entre 50 y 55 ° Brix................................................... 30

Hidrólisis de jugo de caña ......................................................................... 34

Fermentación (Tafias) ............................................................................................... 34

Tafias obtenidas a escala laboratorio ......................................................... 34

Tafias obtenidas a escala banco ................................................................. 36

Obtención de alcoholes (Etanol) ............................................................................... 37

Etanol obtenido por destilación a escala laboratorio. ................................ 37

Etanol obtenido por destilación a escala banco ......................................... 37

Mieles de buena calidad. ........................................................................................... 39

Determinación de humedad ....................................................................... 40

Coliformes totales ...................................................................................... 41

Análisis de colorimetría ............................................................................. 42

Grados Brix, porcentaje de Sacarosa y pH ................................................ 42

Simulación del proceso ............................................................................................. 43

Balances de Masa ...................................................................................... 44

Reactores ................................................................................................... 44

Columna de Destilación............................................................................. 46

Balance de Energía .................................................................................... 47

Análisis económico.................................................................................... 48

IV. CONCLUSIONES ............................................................................................ 51

V. TRABAJO FUTURO Y RECOMENDACIONES .......................................... 53

VI. REFERENCIAS ................................................................................................ 54

VII. Anexos .............................................................................................................. 57

Anexo 1: Resultados de los experimentos de inversión de Mieles. .......................... 57

Anexo 2: Resultados de la Fermentación. ................................................................ 63

Anexo 3: Resultados de la Destilación. .................................................................... 65

Anexo 4: Calidad de mieles invertidas ..................................................................... 66

Anexo 5: Resultados de Simulación. ........................................................................ 69

10

x

LISTA DE FIGURAS

Página

Figura 1 Área de Desarrollo Rural (ADR) de la HRS en Boyacá y Santander…………...13

Figura 2 Cultivos permanentes de la ADR de la HRS………………………………...…. 14

Figura 3 Etapa del moldeo durante el proceso de elaboración de Panela………………....15

Figura 4 Mecanismo de reacción de hidrólisis de sacarosa………………………….…....16

Figura 5 Cristalización de mieles……………….…………………………………………16

Figura 6 Mecanismo de fermentación para producir alcohol…………………………......17

Figura 7 Diagrama del proceso de producción de la panela, producción de mieles

invertidas, etanol y tafia………………………………………………………………...….18

Figura 8 Hidrólisis de mieles……………………………………………………………...20

Figura 9 Fermentación a escala banco…………………………………………………….22

Figura 10 Destilación a escala laboratorio……………………………………………...…23

Figura 11 Destilación a escala banco……………………………………………………...23

Figura 12 Porcentaje de Incremento en la cantidad de fructosa y glucosa para las muestras

con mayor concentración de azucares reductores después de la hidrólisis………………...29

Figura 13 Porcentaje de Reducción en la cantidad de sacarosa para las muestras con mayor

concentración de azucares reductores después de la hidrólisis………………………….…29

Figura 14 Hidrólisis de mieles en el laboratorio…………………………………...……...30

Figura 15 Diagramas de superficies de respuesta para el ácido cítrico…………………....31

Figura 16 Diagramas de superficies de respuesta para el ácido fosfórico...………………31

Figura 17 Mieles a 121 °C y tiempo de 190 minutos……………………………………...31

Figura 18 Cromatógrama de la miel inicial………………………………………………..33

Figura 19 Cromatógramas a) Miel en autoclave ácido cítrico 4%, (b) Miel a 90ºC ácido

fosfórico 4%..........................................................................................................................33

Figura 20 Cromatógramas del jugo de caña. (a) Jugo sin hidrolizar, (b) Jugo con

hidrólisis……………………………………………………………………………………34

Figura 21 Tafias obtenidas a escala laboratorio…………………………………………...36

Figura 22 Tafia obtenida a escala banco…………………………………………………..36

Figura 23 Cromatógrama etanol obtenido a escala laboratorio…………………………....37

Figura 24 Cromatógrama para el alcohol obtenido a escala banco………………………..38

Figura 25 Cromatógrama para el alcohol después de la rectificación……………………..39

Figura 26 Tabla de colorimetría para la miel hidrolizada…………………………………40

Figura 27 Humedad para la muestra E1…………………………………………………...40

Figura 28 Humedad para la muestra E2…………………………………………………...40

Figura 29 Humedad para la muestra B1…………………………………………………..41

Figura 30 Pruebas para la determinación de coliformes…………………………………..40

Figura 31 Color mieles en la hidrólisis. (a) Hidrólisis con ácido cítrico a 121°C. (b)

Hidrólisis con ácido fosfórico a 90°C……………………………………………………...42

Figura 32 Simulación del proceso en Aspen Plus V8.0…………………………………...43

Figura A2.1 Cromatógrama de la tafia obtenida a escala laboratorio……………………...63

Figura A2.2. Cromatógrama de la tafia obtenida a escala banco…………………………..64

11

xi

LISTA DE TABLAS

Página

Tabla 1 Diluciones para la cuantificación de la inversión en el HPLC…………………...20

Tabla 2 Diluciones para la identificación de alcoholes en el cromatógrafo……………....24

Tabla 3 Composiciones de la corriente de entrada de jugo de caña……………….……...27

Tabla 4 Parámetros de los equipos principales de la simulación……………………….…27

Tabla 5 Condiciones de operación de las muestras con mejores resultados para la

hidrólisis…………………………………………………………………………................28

Tabla 6 Resultados de las tafias obtenidas a escala laboratorio………………………..….35

Tabla 7 Concentración de alcohol en las tafias resultantes a escala laboratorio y a escala

banco……………………………………………………………………………………….36

Tabla 8 Resultados de la destilación a escala laboratorio………………………………....37

Tabla 9 Tafia a escala banco……………………………………………………………....38

Tabla 10 Resultados del cromatógrafo……………………………………………………..38

Tabla 12 Requisitos establecidos para la miel hidrolizada………………………………...39

Tabla 13 Parámetros para las mejores muestras……………………………………………42

Tabla 14 Resultados de las corrientes principales del proceso…………………………….43

Tabla 15 Balance másico para el reactor de la hidrólisis de mieles………………………..45

Tabla 16 Balance másico para el reactor de la hidrólisis de jugo...………………………..45

Tabla 17 Balance másico para el reactor de la producción de etanol……………………...46

Tabla 18 Resultados balance de masa para la unidad de destilación……………..………..47

Tabla 19 Análisis económico del proceso………………………………………………….48

Tabla A.1.1 Contenido de nutrientes de la panela…………………………………...……..57

Tabla A1.2 Concentración de Glucosa y Fructosa para las muestras a 60⁰C……..………58

Tabla A1.3 Concentración de Glucosa y Fructosa para las muestras a 8…………………59

Tabla A1.4 Estándares para la cuantificación de jugos y mieles…………………..……...60

Tabla A1.5 Coeficientes de la ecuación para la curva de calibración……...………….......60

Tabla A1.6 Cuantificación de mieles invertidas para mieles y jugo………...…………….61

Tabla A1.7 Densidades y concentraciones de los ácidos utilizados en la inversión...…….61

Tabla A1.8 pH y grados Brix para la miel y el jugo original……………...………………61

Tabla A1.9 Datos de la miel original, el ácido utilizado y la miel obtenida con la hidrólisis

a 90°C y 180 minutos……………………………………………………………………....62

Tabla A1.10 Datos de la miel original, el ácido utilizado y la miel obtenida con la

hidrólisis a 121°C y 80 minutos……………………………………………………………62

Tabla A1.11 Datos del jugo hidrolizado…………………………..………………………62

Tabla A2.1 Datos iniciales y finales de las tafias obtenidas a escala laboratorio y escala

banco…………………………………………………………………………….………....63

Tabla A3.1 Porcentaje de alcohol estimado con alcoholímetro……………………...……65

Tabla A4.1 Humedad para la muestra E1 con respecto al tiempo……………………..….66

Tabla A4.2 Humedad para la muestra E2 con respecto al tiempo……………..………….67

Tabla A4.3 Humedad para la muestra B1 con respecto al tiempo…………...……………67

Tabla A5.1 Balance de masa para el evaporador flash (B2)……...……………………….69

12

Tabla A5.2 Balance de masa para el evaporador flash (B4)………...…………………….69

Tabla A5.3 Balance de masa para el divisor (B7)………...……………………………….70

Tabla A5.4 Balance de masa para la torre de absorción de CO2 (B9)…………………….70

Tabla A5.5 Descripción de unidades de operación………………………………...…...…70

13

CAPÍTULO I

I. INTRODUCCIÓN

El cultivo de la caña de azúcar y la producción de la panela es una de las principales

actividades agrícolas en nuestro país. Según cifras de la FAO (Organización de las

Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura), 25 países en el mundo producen

panela y Colombia es el segundo mayor productor mundial después de la India. (Arias,

Tamara & Arbeláez, 2006)

La actividad panelera es la segunda agroindustria rural después del café en Colombia,

siendo a la vez soporte de empleo y desarrollo en diferentes regiones. Según estudios de la

Federación Nacional de Paneleros (Fedepanela) existen en el país alrededor de 23,000

trapiches, con capacidad de proceso de entre 50 y 300 kg/hora de panela, en los cuáles se

generan cerca de 350 mil empleos directos. (Arias, Tamara & Arbeláez, 2006)

La Hoya del Río Suárez (HRS) (conformada por 13 Municipios, de los cuales 5 pertenecen

al Departamento de Boyacá y los restantes están en Santander) se caracteriza por la

producción de cultivos de carácter permanente (sobresalen la caña panelera, guayaba,

cítricos, plátano y café), así como por la elaboración de panela y bocadillo. En la Figura 1,

el área agrícola de los departamentos de Boyacá y Santander se compara con las áreas

agrícolas de los municipios de la HRS en cada uno de estos departamentos (ADR, 2010).

Figura 1. Área de Desarrollo Rural (ADR) de la HRS en Boyacá y Santander.

Según las evaluaciones agrícolas municipales del Ministerio de Agricultura para el año

2010, en la HRS se sembraron un total de 36,319 Has en un total de 28 cultivos y de

acuerdo al ciclo, se cosecharon 3,571 Has (9.8 % del total) distribuidas en 10 cultivos

semestrales, 2,517 Has (6.9 %) en 7 cultivos semipermanentes y 30,231 Has (83.3 %) en

11 cultivos permanentes. De todos estos cultivos, el más importante es la caña panelera

(Figura 2) (ADR, 2010)

14

Figura 2. Cultivos permanentes de la ADR de la HRS. (ADR, 2010)

La HRS produce el 30% de la panela que se comercializa en el país y la comercializa

principalmente con Bogotá, Bucaramanga, Cúcuta, Villavicencio y Medellín. La

explotación de caña panelera se realiza en predios de tamaño mediano (entre 20 y 50

hectáreas) mientras que la capacidad productiva de los trapiches está entre los 100 y 300

kilos por hora. (ADR, 2010). Los productores de panela de esta región, frecuentemente se

ven fuertemente afectados por la altísima fluctuación en los precios del producto, lo que les

lleva a dar respuesta a una sentida necesidad de diversificación, con lo que pueden tener

mayor control sobre el mercado. Frente a esta problemática el departamento de Boyacá

plantea un proyecto de regalías que busca modernizar la industria panelera implantando

plantas productoras de panela y sus subproductos en la Provincia de Ricaurte con el fin de

eslabonar competitivamente las actividades económicas de la región y lograr

posicionamientos estratégicos en los nuevos mercados nacionales e internacionales como

las mieles invertidas, tafias licores, alcoholes y otros subproductos orgánicos derivados.

(Ramos, 2012)

Panela y su proceso de producción

La panela es un producto alimenticio que se usa con fines edulcorantes. Se obtiene a partir

de la caña de azúcar (denominada en este contexto caña de panela). En el proceso de

producción de panela se recolecta el jugo de caña que se obtiene a través de un proceso de

molienda por compresión de la caña. (Gordillo & García, 1992) Luego, el jugo recibe un

tratamiento que busca separar las impurezas. Este tratamiento (clarificación) comprende

remoción de sólidos (tierra, piedras, bagacillo, hojas, etc) por decantación/flotación en un

tanque y una separación química de compuestos vegetales y fibrosos de la caña que están

disueltos en el jugo. Esta separación se realiza a una temperatura cercana a los 50ºC y usa

agentes floculantes que se obtienen generalmente por extracción, al sumergir tronco de

balso en agua por un día. Al agregar el agente floculante al jugo (el cual está en fase

acuosa), los compuestos vegetales y fibrosos a eliminar (cachaza) forman una fase

semisólida que sobrenada sobre el jugo caliente y pueden entonces separarse. Al jugo

clarificado, se le aumenta el contenido de sólidos solubles (ºBrix) desde un valor promedio

en el jugo de caña de 17 hasta 92ºBrix. Al jugo que ha alcanzado 50ºBrix o más,

normalmente se le denomina “miel”. La etapa de concentración de sólidos solubles

(obtención de mieles) se realiza eliminando grandes cantidades de agua que entra al

proceso en el jugo, por evaporación en “pailas” que son ollas abiertas a la atmósfera. A

continuación se realiza el moldeo (Figura 3) y el empaque de la panela. Debido a que

durante la producción de panela, el jugo de caña conserva todas sus características

15

bromatológicas, nutricionales y organolépticas, algunos expertos afirman que la panela es

un producto con alto valor nutricional, que además es inocuo y natural. El contenido

nutricional de la panela, según se encuentra reportado en la literatura, se resume en el

Anexo 1. (Fedepanela, 2009)

Figura 3. Etapa del moldeo durante el proceso de elaboración de Panela. (Yala, 2011)

Productos y procesos alternativos a la panela

Del proceso de producción de la panela se puede derivar de una forma relativamente fácil la

producción de mieles invertidas, etanol y tafia. Los procesos de fabricación de estos

productos pueden empezarse durante la etapa de evaporación explicada anteriormente, ya

que usan como materia prima jugo clarificado o mieles con un contenido de sólidos que

puede estar entre 17 y 50ºBrix.

A continuación se dan breves definiciones de los productos y se mencionan sus

aplicaciones:

- Mieles: La Norma Técnica Colombiana (NTC 587) define la miel final o melaza (No

cristalizable) como un jarabe o líquido denso y viscoso separado de la masa cocida final

y del cual no es posible cristalizar más por los métodos usuales. (ICONTEC, 1994).

Este subproducto procedente de la refinación de sacarosa que viene de la caña de

azúcar, es utilizado para alimentos concentrados para animales y como suplemento

alimenticio para el hombre. (Fajardo & Sarmiento, 2007)

- Etanol: También llamado como alcohol etílico es un compuesto líquido, incoloro,

volátil y soluble en agua cuyas moléculas se componen de carbono. Hidrógeno e

hidróxilos (CH3-CH2-OH). Es utilizado principalmente como combustible, sin embargo

también se destina a las industrias para la elaboración de bebidas, cosméticos,

farmacéutica y química. (Ministerio de comercio exterior y turismo de Perú, 2002)

- Tafia: La Real Academia Española (RAE) la define como el aguardiente de caña. Es el

resultado de la melaza que no se cristaliza durante el proceso y que al fermentarse da

origen a una bebida alcohólica la cual se convierte en ron al ser destilada (GeNeura

Team, 2002)

16

Estos productos, se obtienen en los procesos que se enumeran a continuación:

- Proceso de obtención de mieles:

Al jugo de caña clarificado y/o a la miel con un máximo de 50ºBrix, se somete a un proceso

de inversión de azúcares. Este consiste en hidrolizar la sacarosa en medio ácido. La

sacarosa es un dímero que resulta de la unión del carbono 1 de la α-glucosa y el carbono 2

de la β-fructosa a través de un enlace glucosídico α (1→2). (Garcés & Cogua). Durante la

hidrólisis, se incorpora una molécula de agua dentro de la estructura química de la sacarosa,

con lo que se ocasiona el rompimiento de este enlace y la sacarosa queda transformada en

los carbohidratos constituyentes. El mecanismo de reacción que se ilustra en la Figura 4.

(Durán, 2010)

Figura 4. Mecanismo de reacción de hidrólisis de sacarosa.

Debido a que la sacarosa, a diferencia de la glucosa y la fructosa, no es 100% soluble en

agua, las mieles que no hayan sido invertidas, normalmente sufren un proceso de

“cristalización” de la sacarosa, que resulta en la aparición de un precipitado en el fondo del

recipiente que las contiene. Esta cristalización es indeseable y debe evitarse en mieles

invertidas puestas en venta, una vez que se haya formado el precipitado, el rechazo del

producto por parte del consumidor es inmediato. En la Figura 5 se observa una muestra de

mieles que han sufrido una cristalización severa.

Figura 5. Cristalización de mieles.

La cristalización depende del contenido de sacarosa en la miel, el cual debe ser mínimo, la

humedad y las temperaturas de almacenamiento. (Sancho, Bota, & de Castro, 1999)

17

- Proceso de obtención de tafias

La producción de tafia se realiza por medio de una fermentación alcohólica, la cual es un

proceso anaerobio realizado por las levaduras y algunas bacterias. Estos microorganismos

transforman el azúcar en alcohol etílico y dióxido de carbono. La fermentación se da

cuando la glucosa entra en la célula de levadura donde se degrada a ácido pirúvico, proceso

al cual se le da el nombre de glicolisis. Una vez obtenido el piruvato, este se descarboxila

dando acetaldehído que se reduce a etanol por acción del NADH2. A continuación se

muestra el mecanismo de la reacción en la Figura 6. (Ciencia y tecnología, Fundación

telefónica, 2011)

Figura 6. Mecanismo de fermentación para producir alcohol. (Ciencia y tecnología,

Fundación telefónica, 2011)

Esta fermentación debe realizarse teniendo en cuenta ciertos factores como pH, temperatura

y presión, ya que estos influenciaran la actividad de las levaduras y de las enzimas. El pH

debe mantenerse en un rango de 3.0-4.0, ya que es donde no se desarrollan agentes

patógenos. La temperatura no debe superar los 40°C ya que la actividad enzimática

disminuye, esta debe mantenerse máximo entre 30 y 36°C. Debido a la producción de gas

carbónico, la concentración en el recipiente aumenta y la presión en el mismo también lo

que produce una disminución en la actividad celular. (Valcarcel, 2012)

- Proceso de obtención de etanol

Para la producción de etanol se toma el producto de la fermentación, el cual consiste en una

mezcla de etanol, agua y otros componentes. Este producto es puesto en una columna de

destilación por lotes, donde la alimentación se almacena en el rehervidor y se deja por un

determinado periodo de calentamiento para luego recoger el producto que se obtiene de la

parte alta de la torre (etanol). La concentración del(los) componente(s) más volátil(es)

disminuye con el tiempo, debido a que estos componentes se van agotando en el rehervidor.

El proceso termina cuando el producto obtenido tiene una concentración baja inaceptable

de los componente(s) más volátil(es). (Simbaqueba, 2012)

18

En la Figura 7, se muestra el proceso de producción de la panela y cómo los productos de

interés en este estudio (mieles invertidas, tafia y etanol) pueden obtenerse del proceso.

Molienda y

extracción de

jugos

Hidrólisis de

mieles

Destilación Fermentación

Empaque y

venta

Encalado

(Regula la

acidez)

ClarificaciónLimpieza de

jugos

Evaporación

y

concentración

Punteo,

moldeo y

batido

TAFIA

ETANOL

MIELES

INVERTIDAS

PANELA

Figura 7. Diagrama del proceso de producción de la panela, producción de mieles

invertidas, etanol y tafia.

El proyecto de regalías parte de la obtención de energía para satisfacer la planta y de la

producción de la panela tradicional. Sin embargo, como se indicó en la Figura 7, el presente

trabajo tiene como propósito obtener a escala banco productos de valor agregado (mieles,

tafias y licores) a partir del jugo de caña proveniente de la región de la HRS, definiendo los

equipos y el procedimiento que se tendrá en cuenta en la planta piloto a vapor en la

Provincia de Ricaurte que será construida (Ramos, 2012).

19

CAPÍTULO II

II. METODOLOGÍA

En el presente trabajo, se realizaron 3 tipos de experimentos en el laboratorio que tenían por

objeto obtener información relevante de cada uno de los siguientes procesos: hidrólisis de

mieles (70 y 50ºBrix aproximadamente) y jugo clarificado, fermentación y destilación. A

continuación se explica la metodología seguida en cada uno de estos experimentos:

Hidrolisis ácida (Inversión de mieles y jugos)

Se realizó la inversión de mieles con diferentes concentraciones de azúcares (°Brix) y la

inversión de jugo de caña clarificado. Esto con el fin de determinar con qué tipo de miel se

obtienen mejores resultados.

Para la primera etapa de pruebas de inversión de mieles se utilizó una miel con 70° Brix, las

pruebas se realizaron colocando 100 mL de miel en Erlenmeyers de una capacidad

ligeramente mayor en volumen, después se disponen en baños de calentamiento a

temperaturas de 60°C y 85°C. Una vez alcanzada la temperatura se le adiciona HCl o

H3PO4 en diferentes cantidades para cada Erlenmeyer (110 µL, 120 µL, 130 µL, 140 µL,

160 µL y 180 µL para cada ácido) y se dejan reaccionar durante diferentes tiempos: 60, 90

y 130 minutos para cada temperatura, ácido y concentración. Durante la reacción se

mantienen las muestras con agitación.

Para la segunda etapa de inversión de mieles se tuvieron en cuenta los resultados de la

inversión inicial, que serán explicados en detalle más adelante. Se utilizó mieles con

menores grados Brix (50 ºBrix) y jugo de caña (13ºBrix). Se tomó 100 mL de miel o jugo

en un Erlenmeyer. Una vez se alcanzó la temperatura establecida (90ºC o 121ºC) se le

adicionó el (3, 4 o 5% p/p) de ácido fosfórico o ácido cítrico (Gámez, González-Cabriales,

Ramírez, Garrote, & Vásquez). Las pruebas a 90°C tuvieron una duración de 180 minutos,

mientras que las pruebas realizadas en el autoclave, es decir a 121°C, tuvieron una duración

de 80 minutos, las pruebas tuvieron agitación constante como se muestra en la Figura 8.

20

Figura 8. Hidrólisis de mieles.

Cuantificación de la inversión de mieles

Mediante el método de Cromatografía Líquida de Alta Resolución (HPLC) se lleva a cabo

la cuantificación de azucares (sacarosa, glucosa y fructuosa) en las mieles invertidas. Para

esto se realizaron disoluciones de las mieles utilizando los factores presentados en la Tabla

1.

Tabla 1. Diluciones para la cuantificación de la inversión en el HPLC.

°Brix Tipo de Miel Dilución

70 Mieles con H3PO4

1:26 Mieles con HCl

50-55

Mieles hidrolizadas en autoclave

(121°C) 1:18

Mieles hidrolizadas en baño (90°C) 1: 4.35

El método de análisis se resume a continuación:

Equipo: 1290 Infinity LC System. Agilent Technologies.

Fase móvil: Agua filtrada para HPLC.

Detector: Índice de refracción (IR)

Inyección automática

Columna: Aminex HPX-87P.

Máxima temperatura: 85ºC

Velocidad de flujo: 0.6 mL/min

21

Fermentación

A continuación se presenta la metodología para la fermentación a nivel laboratorio y nivel

planta piloto:

Fermentación en laboratorio.

Una vez se realizó la hidrólisis del jugo de caña, y se han establecido las condiciones

óptimas para la misma. Se procedió a realizar la fermentación de este jugo hidrolizado y de

jugo sin hidrolizar, esto con el fin de comparar el efecto de la inversión sobre la producción

de etanol. Fue necesario que todos los recipientes entraran en un ciclo de esterilización en

el autoclave, por una hora y media, con el fin de eliminar microorganismos que puedan

contaminar las muestras.

Se ajustó la densidad de la miel que debe estar entre los 1.06 y los 1.1 g / mL y el pH entre

3.9 y 4.1. Se utilizó una temperatura de 36°C durante 36 horas. (Grajales, 2001)

Después de esto, se colocó la levadura en las muestras, esto se realizó en una cabina de luz

UV, desinfectada y cerca de un mechero para disminuir la probabilidad de contaminación.

La levadura (Saccharomyces Cerevisiae) tarda entre 12 y 14 horas para su crecimiento, por

lo tanto se dejó durante una noche en un shaker a 30°C y a 120 rpm. (Fajardo, 2007)

Una vez se tienen el inoculo y el jugo juntos, se procedió a fermentar. Los balones aforados

de 1,000 mL que contienen las muestras (tapadas) son colocados en el shaker, asegurándose

que este a la temperatura recomendada para la fermentación 36ºC y a la agitación de 120

rpm.

Una vez finalizadas las 36 horas, se tomó el volumen de fermentado que quedó en los

balones, el resultado de la fermentación es la tafia, necesaria para obtener etanol por medio

de un proceso de destilación. Finalmente se realizó una limpieza profunda de todos los

materiales y equipos utilizados.

Fermentación en escala banco

Se ajustó la densidad y el pH del jugo como se realizó en la fermentación del laboratorio y

se preparó el inoculo para la levadura comercial Saccharomyces Cerevisiae. Se autoclavó el

equipo para eliminar cualquier tipo de microorganismo que pudiera estar presente y evitar

contaminación.

Adicionalmente se realizó la fermentación en un biofermentador que tiene una capacidad de

4 L. Se le adicionó el inoculo que contenía la levadura comercial (Saccharomyces

Cerevisiae). Se programó el equipo para que se mantuviera a una temperatura de 36ºC con

una agitación de 120 rpm por 36 horas y se observó durante este tiempo que el pH del jugo

se mantuviera entre 3.9 y 4.1. (Grajales, 2001)

22

Al finalizar la fermentación se almacenó el volumen de fermentado resultante del

bioreactor y se autoclavaron los materiales y el equipo utilizado.

Figura 9. Fermentación a escala banco.

Destilación

A continuación se presenta la metodología de la fermentación a escala laboratorio y a

escala planta:

Destilación a escala laboratorio.

La destilación a escala laboratorio se realizó únicamente para la tafia obtenida de la

fermentación sin hidrólisis, esta destilación se llevó a cabo en el rotaevaporador a una

temperatura de 75 °C aproximadamente, durante dos horas, como se muestra en la Figura

10. Al final se recogió el destilado recuperado y se estimó su peso, volumen y se hizo una

aproximación del contenido de alcohol, utilizando el alcoholímetro.

23

Figura 10. Destilación a escala laboratorio.

Destilación a escala banco.

Posteriormente se realizó una destilación del producto de la fermentación (tafia) producida

en el bioreactor, esta destilación se realizó en la unidad de destilación batch, como se

muestra en la Figura 11.

Para la destilación del producto de la fermentación, se fijaron condiciones de operación de

la unidad de destilación. Se utilizó una potencia de calentamiento de 30% y reflujo total,

teniendo en cuenta la temperatura de ebullición del etanol, que es de aproximadamente

78°C. (Seese & Daub, 2005). Se cargó la torre con un volumen de 3,412 Litros, se dejó

estabilizar la unidad y se dejó operar durante de 4 horas. (Simbaqueba, 2012)

Figura 11. Destilación a escala banco.

24

Rectificación

Se realizó la rectificación del destilado resultante de la destilación a escala banco. Este se

llevó a cabo en el rotaevaporador a 77°C, durante aproximadamente una hora. Se obtuvo el

destilado rectificado, se registró su volumen, su peso y se estimó el contenido de alcohol

con el alcoholímetro.

Identificación de alcoholes en los destilados

Después de realizar la destilación de los fermentados se hizo una identificación y medición

de alcoholes en los destilados, utilizando el cromatógrafo de gases. El método se especifica

a continuación:

Equipo: Shimadzu GC-2012

Gas de arrastre y presión: H2 a 40 psig, He a 60 psig y aire a 50 psig.

Detector: Ionización de llama (FID)

Inyección automática.

Columna: Teknokroma model TRB-FFAP.

Para esto se realizó la dilución de las muestras que se muestra en la Tabla 2, dependiendo

de la medición inicial de alcoholes realizada con el alcoholímetro.

Tabla 2. Diluciones para la identificación de alcoholes en el cromatógrafo.

Destilado Dilución

Destilado del rotaevaporador -

Destilado de la torre (1) 1:2

Destilado de rectificación (2) 1:10

Caracterización de las mieles invertidas

Con el fin de caracterizar las mieles y verificar el cumplimiento de la Norma Técnica

Colombiana 587 de 1994. Las mejores mieles invertidas obtenidas (mieles con menor

contenido de sacarosa) fueron sometidas a algunas pruebas que se describirán a

continuación:

Determinación de Humedad

Se realizó la determinación del contenido de humedad de las muestras de miel. Esto se

realizó utilizando una termobalanza. En un plato de aluminio se colocaron 2 g de miel

procurando que esta quedara distribuida uniformemente sobre la superficie. Se registró la

humedad durante cada minuto y se registró el tiempo y la humedad final para el producto.

La prueba tuvo una duración entre 21 y 26 minutos. Este procedimiento de realizó para las

tres muestras seleccionadas.

25

Coliformes totales

Debido a que se están tratando productos destinados para el consumo humano, se llevó

cabo un procedimiento para identificar la presencia de bacterias en las mieles invertidas.

Las cantidades utilizadas en las pruebas contemplan las tres muestras de miel seleccionadas

y las 3 réplicas para cada muestra. Teniendo en cuenta esto, se realizaron 27 pruebas en

total.

Para esto se preparó el Agar MacConkey donde fueron sembradas las muestras, para esta

preparación se diluyeron 27.7 g del agar ya mencionado en 0.54 L de agua desionizada.

Después se preparó el medio de enriquecimiento verde brillante donde se colocaron las

muestras antes de ser sembradas en el agar. Para la preparación del medio se utilizaron 18 g

de este en 0.45 L de agua, se homogenizó la mezcla y se distribuyó en 27 tubos de ensayo,

colocando 9 mL de verde brillante en cada uno de ellos.

Antes de colocar las mieles en el medio, se autoclavó durante una hora y media, todo el

material a utilizar, incluyendo el medio y el agar, con el fin de eliminar organismos no

deseados. Se toma el agar y se colocaron aproximadamente 20 mL de este en cada caja de

Petri.

Para cada muestra se hicieron tres réplicas, cada una de estas réplicas tiene tres diluciones,

diluciones de 10-1

, 10-2

y 10-3

. En el tubo de 10-1

, se coloca 1 mL de miel y se agitó para

homogenizar. Después se tomó 1 mL de esta dilución y se colocó en el tubo de 10-2

y se

agitó, de este tubo de ensayo se tomó 1mL y se dispuso en el último tubo de 10-3

. De cada

uno de los tubos de ensayo, se tomó 0.1 mL y se colocaron en una caja de Petri y con ayuda

de un rastrillo se distribuyó la muestra sobre el agar. Este procedimiento se llevó a cabo en

la cabina UV, cerca de un mechero para evitar la contaminación de las muestras.

Finalmente, se colocaron las cajas de Petri selladas en la incubadora a 30 °C durante 24

horas.

Grados Brix, porcentaje de Sacarosa y pH

Se realizó la cuantificación de grados Brix utilizando el refractómetro Sper Scientific

P2243. Se colocó una gota de miel sobre el lente del equipo y se dio lectura del contenido

de azúcares, este procedimiento se realizó para cada muestra, limpiando el lente con

acetona después de cada lectura para evitar errores en la medición.

El porcentaje de sacarosa se calcula con los resultados obtenidos de la Cromatografía

Líquida de Alta Resolución (HPLC), cuyo procedimiento se explicó anteriormente.

Por último, se midió el pH de las mieles utilizando el pH metro, se sumergió el electrodo en

la muestra y se realizó la lectura. Esto se realizó para cada muestra, lavando el electrodo

con agua desionizada después de cada prueba.

26

Simulación del proceso

La simulación del proceso para la producción de mieles invertidas, tafias y etanol permite

obtener información relacionada con los balances de materia y energía que se quieren

obtener en este estudio. Esta se llevó a cabo en el programa de simulación de procesos

Aspes Plus V8.0 ®, debido a que esta versión cuenta con la base de datos para la fructosa a

diferencia de las versiones anteriores. Esta simulación se realizó utilizando el método

termodinámico NRTL, tomando datos del procedimiento experimental llevado a cabo en el

laboratorio y revisando la literatura se encontraron algunos parámetros para los equipos

(Moreno, 2011). El proceso se inicia desde el jugo de caña clarificado, el cual se divide en

2 corrientes, una de ellas para la producción de mieles invertidas y la otra para la

producción de tafias y alcohol.

Para la producción de mieles invertidas primero se realizó una evaporación por medio de un

evaporador flash con el fin de aumentar los grados Brix hasta obtener una miel con grados

Brix entre 50 y 55, después se realizó la hidrólisis ácida empleando el ácido fosfórico, esto

se llevó a cabo en un reactor estequiométrico con el objetivo de desdoblar la sacarosa en

glucosa y fructosa. (Cardona, Sánchez, Montoya, & Quintero, 2006) La última parte del

proceso de producción de mieles invertidas consiste en la concentración de la miel final

resultante, esto con el fin de cumplir con las características de las mieles invertidas de

buena calidad entre las que se encuentran la humedad y los grados Brix, entre otras.

Para la segunda parte del proceso, el jugo de caña pasa directamente a un reactor

estequiométrico, donde se simula el proceso de hidrólisis con ayuda de la levadura

Saccharomyces cerevisiae que cumple con la función de invertir los azúcares, después se

pasa a un reactor donde se lleva a cabo la fermentación, realizada por la levadura

mencionada anteriormente. De este último reactor se obtiene la tafia, de la cual se destina

una parte a la producción de etanol, se utilizó un equipo de absorción, con el fin de retirar el

CO2 presente después de la fermentación y por último pasa a una torre de destilación para

tener como producto final etanol.

Los equipos para la hidrólisis y fermentación son reactores que dependen de la

estequiometria de la reacción y de la conversión del componente deseado. Los parámetros

para la columna de destilación se encontraron por el método de DSTWU de la herramienta

Aspen Plus, el cual arroja parámetros como el número de etapas teóricas, la etapa óptima de

alimentación, la razón de reflujo según el número de etapas y los calores del rehervidor y el

condensador de la torre.

La Tabla 3 muestra la composición de la corriente de entrada de jugo al proceso, la cual

contiene las fracciones de agua, sacarosa, glucosa y fructosa, correspondientes a la

composición del jugo utilizado en el laboratorio.

27

Tabla 3. Composiciones de la corriente de entrada de jugo de caña.

Corriente de entrada

Agua 75.0%

Sacarosa 17.6%

Glucosa 3.70%

Fructosa 3.80%

Flujo másico (kg/h) 1,000

Adicionalmente se muestran algunos parámetros para los equipos principales del proceso,

en la Tabla 4.

Tabla 4. Parámetros de los equipos principales de la simulación.

ESPECIFICACIÓN DE EQUIPOS

Reactor miel (Hidrólisis)

Temperatura 90 ⁰C

Conversión 0.69

Reactor jugo (Hidrólisis)

Temperatura 36 ⁰C

Conversión 0.93

Reactor Fermentación

Temperatura 36⁰C

Conversión 0.95

Torre de absorción

Número de Etapas 10 (Ávila, 2005)

Presión 1 atm

Torre de destilación

Numero de etapas 10

Etapa de alimentación 9

Presión 1 atm

Relación de reflujo 30.1

Calor del rehervidor 139.5 kW

28

CAPITULO III

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

A continuación se presentan los resultados de la inversión de mieles, obtención de la tafia

(fermentación) y la destilación:

Hidrólisis de jugos y mieles

Los resultados de la inversión de mieles con diferentes grados Brix son presentados en los

siguientes numerales. La primera etapa de ensayos contempla 72 experimentos y

corresponde a la hidrólisis realizada usando miel a 70° Brix. La segunda etapa corresponde

a 12 ensayos de inversión de mieles con grados Brix entre 50 y 55. Por último, en una etapa

posterior, se realizó la hidrólisis del jugo de caña clarificado, el cual tenía 13° Brix.

Hidrólisis de mieles con 70°Brix

En la Tabla 5, se presentan las condiciones de operación de las muestras con las cuales se

obtuvo los mejores resultados de la primera etapa de hidrólisis de mieles, cuyos resultados

se pueden apreciar en las Figuras 12 y 13, y los valores en las tablas A1.2 y A1.3 del Anexo

1.

Para seleccionar estas muestras como las mejores se tuvo en cuenta que la concentración de

glucosa estuviera por encima del valor de la miel original (47.7 mg/mL) dando como valor

mínimo un valor de 63.9 mg/mL. Para la fructosa se partió de su valor original (50.8

mg/mL) dando un valor mínimo de 70.8 mg/mL de concentración. A su vez para elegir las

muestras más representativas (36, 60 y 72) se buscó que adicionalmente a la concentración

de glucosa y fructosa el contenido de sacarosa estuviera por debajo del valor original que

corresponde a 1050 mg/mL.

Tabla 5. Condiciones de operación de las muestras con mejores resultados para la

hidrólisis.

Muestra Ácido Temperatura (°C) Concentración (%V/V) Tiempo (min)

36 A. Fosfórico 60 1.8 130

57 A. Fosfórico 85 1.3 90




71 A. Fosfórico 85 1.6 130

72 A. Fosfórico 85 1.8 130

29

A partir de los resultados de la Tabla 5, se puede concluir que las mejores condiciones para

la inversión se alcanzaron con el ácido fosfórico. Las concentraciones de los ácidos

(reactivos) utilizados fueron 85 (%p/p) para el H3PO4 y 3N para el HCl. La baja inversión

conseguida con el HCl, probablemente se debe a que su concentración no es tan alta, por lo

que no representa un agente fuerte en comparación con la del H3PO4 que tiene una alta

concentración.

Figura 12. Porcentaje de Incremento en la cantidad de fructosa y glucosa para las

muestras con mayor concentración de azucares reductores después de la hidrólisis.

En la Figura 12, se presenta el porcentaje de incremento en la cantidad de glucosa y

fructosa en las muestras con mayor concentración de azucares reductores después de la

hidrólisis. Estas muestras son: 36, 57, 58, 59, 60, 71 y 72 y son comparadas con la miel

original (sin hidrolizar). Se puede observar que las muestras con mayor incremento de

glucosa son las muestras 59, 60 y 72 y las muestras con mayor incremento de fructosa son

las muestras 36, 60 y 72. Sin embargo, en la Figura 13 se puede ver que la reducción de

sacarosa es mínima, en comparación con el incremento de glucosa y fructosa en las

muestras.

Figura 13. Porcentaje de Reducción en la cantidad de sacarosa para las muestras con

mayor concentración de azucares reductores después de la hidrólisis.

30

Algunas de las muestras con mayor contenido de azúcares reductores (Tabla 5), tienen

mayor contenido de sacarosa en comparación con la miel original, como ocurre con las

muestras 57, 58, 59 y 71. Mientras que las muestras 36, 60 y 72 tienen menor contenido de

sacarosa en comparación con la miel sin hidrolizar. (Ver Anexo 1) En la Figura 14, se

puede observar una diferencia entre las mieles después de la hidrólisis. En la Figura 14 (a)

se presenta una precipitación de azucares en el fondo del erlenmeyer (cristales de azúcar),

mientras que en la Figura 14 (b) se presenta una miel más homogénea sin cristalizar. El alto

contenido de sacarosa en algunas muestras en comparación con la miel original se puede

atribuir a que la miel utilizada en la hidrólisis se encontraba parcialmente cristalizada.

(a) (b)

Figura 14. Hidrólisis de mieles en el laboratorio (a) Mieles cristalizadas y (b) Mieles

sin cristalizar.

De acuerdo con los resultados de la Figura 12 y Figura 13, y teniendo en cuenta el objetivo

de la hidrólisis de romper los enlaces de la sacarosa obteniendo de esta forma mayor

contenido de glucosa y fructosa. Se puede concluir que con las inversiones realizadas en

esta primera etapa se logra el objetivo en las muestras 36, 60 y 72. Sin embargo, en la

segunda etapa se busca reducir aún más el contenido de sacarosa y aumentar el de glucosa y

fructosa.

Hidrólisis de mieles entre 50 y 55 ° Brix

Se utilizó una miel con menos grados Brix, con el fin de tener una inversión mayor.

Teniendo en cuenta las condiciones de operación utilizadas en la primera etapa de pruebas,

que se muestran en la Tabla 5 y tras realizar una nueva revisión bibliográfica se definieron

las nuevas pruebas. Gámez et al reporta una temperatura de 122°C, 4% de ácido fosfórico y

300 minutos como las condiciones óptimas para llevar a cabo la hidrólisis del bagazo de

caña. (Gámez, González-Cabriales, Ramírez, Garrote, & Vásquez)

De acuerdo con esto se evaluaron las temperaturas de 90ºC y 121ºC (autoclave) los ácidos

fosfórico y ácido cítrico y concentraciones de estos a 3, 4 y 5% p/p. El tiempo fue de 180

minutos para las pruebas a 90°C, mientras que las pruebas realizadas a 121°C, tuvieron una

duración de 80 minutos. A continuación se presentan los resultados de las pruebas:

31

(a) (b) (c)

Figura 15. Diagramas de superficies de respuesta para el ácido cítrico. (a) Sacarosa,

(b) Glucosa y (c) Fructosa.

En la Figura 15, se muestran los diagramas de superficies obtenidos con el software

estadístico Minitab 16 ®, con los resultados para las hidrólisis realizadas con el ácido

cítrico. De la Figura 15 - (a) se puede observar que se tiene menor cantidad de sacarosa

para las pruebas con la menor concentración de ácido y mayor temperatura. La Figura 15 –

(b) muestra que se obtiene mayor cantidad de glucosa con una concentración de 4% p/p de

ácido y la máxima temperatura. Al igual que ocurre con la fructosa como se puede observar

en la Figura 15 – (c).

(a) (b) (c)

Figura 16. Diagramas de superficies de respuesta para el ácido fosfórico. (a) Sacarosa,

(b) Glucosa y (c) Fructosa.

La Figura 16 presenta los resultados de las pruebas realizadas con ácido fosfórico. La

Figura 16 – (a) muestra que se obtiene la mayor reducción de sacarosa con la máxima

concentración de ácido y a la menor temperatura. De la Figura 16 – (b), se puede observar

que se alcanza mayor cantidad de glucosa a una concentración de 4% (p/p) y a una

temperatura de 90°C. Por último, la Figura 16 – (c) correspondiente a la fructosa muestra

un comportamiento similar a la glucosa.

32

Figura 17. Mieles a 121 °C y tiempo de 190 minutos.

Es importante señalar que el tiempo no fue un factor comparable, ya que inicialmente se

realizaron pruebas utilizando el mismo tiempo, es decir, 180 minutos. Las mieles

resultantes en este tiempo a una temperatura de 121°C (Autoclave) fueron mieles con un

color muy oscuro y un olor característico a quemado, lo que no representa una miel de

buena calidad, como se muestra en la Figura 17. Debido a esto, los tiempos de duración de

las pruebas estaban ligados a la temperatura de operación siendo estos 180 minutos para

90°C, mientras que para la temperatura de 121°C la duración de las pruebas fue de 80

minutos.

Las siguientes Figuras, corresponden a los cromatógramas seleccionados de la miel inicial a

52.2° Brix y los cromatógramas de las mieles con menor contenido de sacarosa y mayor

contenido de glucosa y fructosa, obtenidos a partir de Cromatografía Líquida de Alta

Resolución (HPLC).

33

Figura 18. Cromatógrama de la miel inicial.

A partir de la Figura 18, se puede observar un alto contenido de sacarosa comparado con el

contenido de fructosa y glucosa para la miel inicial.

(a) (b)

Figura 19. Cromatógramas a) Miel en autoclave ácido cítrico 4%, (b) Miel a 90ºC

ácido fosfórico 4%.

En la Figura 19 se muestran los cromatógramas de las mieles que se invirtieron con el ácido

fosfórico, la Figura 19 – (a) muestra los resultados para la inversión a una temperatura de

121ºC (Autoclave), con un tiempo de 1 hora 20 minutos, mientras que en la Figura 19 - (b)

se muestra el contenido de azúcares de la inversión con un tiempo de 180 minutos y una

temperatura de 90°C, ambos a una concentración del 4% del ácido con respecto al peso

total de la miel. Se observa una inversión significativa comparada con la de la miel inicial.

Sin embargo la mayor inversión se llevó a cabo a una temperatura de 90ºC. Esto se debe a

que la temperatura además de generar la formación de glucosa y fructosa, al terminar el

tiempo da como resultado mieles con buena apariencia (color) y con olor característico de

la miel de caña.

34

Hidrólisis de jugo de caña

Para la inversión del jugo, se realizó un procedimiento adicional en el cual se llevó a cabo

la clarificación del mismo con un coagulante utilizado en la industria panelera debido a que

ofrece resultados comparables con los del balso, que es el coagulante natural utilizado

generalmente. Este coagulante se conoce como Mafloc 975, el cual se adiciona en dosis de

2 a 10 ppm disuelto en agua desionizada donde se mezcla hasta obtener una mezcla

homogénea y después se agrega al jugo de caña. (Prada, 2002)

A continuación para la hidrólisis se tuvo en cuenta el procedimiento utilizado en las mieles.

Este se llevó a cabo con ácido fosfórico con una concentración de 4 % p/p a una

temperatura de 85°C por 180 minutos.

(a) (b)

Figura 20. Cromatógramas del jugo de caña. (a) Jugo sin hidrolizar, (b) Jugo con

hidrólisis.

En la Figura 20 se puede observar que se tuvo resultados favorables para la hidrolisis del

jugo de caña, ya que el contenido de sacarosa se redujo significativamente comparado con

la cantidad de glucosa y fructosa que se observa en el jugo con hidrólisis.

Fermentación (Tafias)

Después del proceso de fermentación anteriormente explicado, se obtuvieron los

fermentados (tafias) a escala laboratorio y a escala piloto que se caracterizan a

continuación:

Tafias obtenidas a escala laboratorio

Se registraron los volúmenes, el pH y otros datos para las tafias, cuyos valores se muestran

en la Tabla 6.

35

Tabla 6. Resultados de las tafias obtenidas a escala laboratorio.

Muestra Descripción pH Volumen (mL) Peso (g) ° Brix

1 Fermentado (Hidrolizado) 3.67 445 710.2 26.8

2 Fermentado (Sin hidrolizar) 3.51 282 283.5 6.6

Con la muestra 1 fue necesario ajustar el pH del jugo ya que después de la hidrólisis este se

encontraba por debajo del requerido para llevar a cabo la fermentación con la

Saccharomyces cerevisiae, lo cual se realizó con hidróxido de sodio hasta obtener un pH

aproximadamente de 4. Debido a este procedimiento adicional se cree que al realizar la

fermentación esta no se llevó a cabo debido a que el contenido de las sales producidas por

la reacción del hidróxido de sodio con el ácido fosfórico, inhibió la producción de alcohol,

ya que con el aumento de la concentración de estas sales se puede inferir que se reduce

progresivamente la actividad enzimática y la capacidad fermentativa de la levadura. (Ferré

& Consulting Blog, 2009)

Durante la fermentación de la muestra 2, se percibió un olor característico de una bebida

alcohólica como el guarapo o la chicha. Mientras que para la muestra 1, el olor percibido

era un olor dulce similar al de la miel.

En la Figura 21, se presentan las tafias resultantes. En el lado izquierdo de la foto se

presenta la muestra 1, cuyo color es similar al de la miel. Al lado derecho se tiene la

muestra 2, que presenta un color turbio, característico de los fermentados.

Figura 21. Tafias obtenidas a escala laboratorio.

36

Tafias obtenidas a escala banco

El producto obtenido después de la fermentación en el bioreactor fue un líquido fermentado

con olor característico de una bebida alcohólica. Con un volumen de 3,500 mL como se

observa en el beaker de la Figura 22, este posteriormente fue llevado a la unidad de

destilación batch para obtener el alcohol contenido.

Figura 22. Tafia obtenida a escala banco.

En la Tabla 7 se presenta el contenido de etanol, estimado por medio de Cromatografía de Gases.

De acuerdo con los resultados se puede concluir que la tafia obtenida a escala banco tiene mayor

concentración de alcohol, en comparación con la tafia obtenida a escala laboratorio. La tafia

resultante del bioreactor supera el porcentaje de alcohol estimado por la literatura que es de 22% v/v

aproximadamente. (EU, 2006) La tafia obtenida en el laboratorio tiene menor concentración, sin

embargo tiene gran contenido de alcohol por lo que es tratada en el siguiente proceso. Estas tafias

posteriormente se destilaron y en el caso de la tafia obtenida en el bioreactor, fue rectificada para

obtener el mayor volumen de etanol con una alta concentración.

Tabla 7. Concentración de alcohol en las tafias resultantes a escala laboratorio y a

escala banco.

Muestra Factor

dilución

t de

retención Área Altura

Conc. diluida

(%v/v)

Etanol

Conc. diluida

(%v/v)

Metanol

Conc.

concentrada

(%v/v) Etanol

Fermentado

Laboratorio - 2.26 8'914,190 3'480,520 10.22 0 10.22

Fermentado

Bioreactor 0.1 2.27 4'361,112 1'719,109 3.398 0 33.4

37

Obtención de alcoholes (Etanol)

Se presentan los resultados del alcohol obtenido a escala laboratorio y a escala banco:

Etanol obtenido por destilación a escala laboratorio.

Se realizó la destilación en el rotaevaportador esta se llevó a cabo para la muestra 2 de la

Tabla 6, que corresponde a la fermentación sin hidrólisis.

Tabla 8. Resultados de la destilación a escala laboratorio.

Destilado Volumen (mL) % Alcohol Estimado % v/v (CG)

Rotaevaporador 69 10.4 14.0

En la Tabla 8, se puede ver el volumen final de alcohol, el % de alcohol estimado con el

alcoholímetro y el % de alcohol cuantificado por cromatografía de gases (CG) que fue de

14.0% v/v. La Tabla 6 reporta que el volumen inicial de fermentado sin hidrolizar es de 282

mL, de los que se obtiene 69 mL de etanol, lo que representa un 24.27% de conversión.

En la Figura 23 se muestra el cromatógrama del etanol obtenido en el laboratorio, cuyo pico

tiene una altura de 4’351,242 y un tiempo de residencia de 2.17 minutos. Adicional a esto,

el cromatógrama muestra que únicamente se tiene etanol y que no hay presencia de otros

alcoholes como el metanol. Por lo que se puede caracterizar como un etanol apto para el

consumo humano.

Figura 23. Cromatógrama etanol obtenido a escala laboratorio.

Etanol obtenido por destilación a escala banco

Se realizó la destilación en la unidad batch con las condiciones expuestas anteriormente. Se

obtiene alcohol con las siguientes características:

38

Tabla 9. Tafia a escala banco.

Muestra pH Volumen

(mL)

Peso

(g) ° Brix

Fermentado 3 (Bioreactor) 3.63 3,412 3,382.5 5.6

La Tabla 10, presenta los resultados de la cromatografía de gases. De 3,412 mL de

fermentado se obtuvieron aproximadamente 850 mL de alcohol inicialmente, representando

una conversión de 24.9%. Además de esto presenta una concentración del 44.4% v/v que se

incrementará con la rectificación.

Tabla 10. Resultados del cromatógrafo.

De acuerdo con el cromatógrama que se presenta en la Figura 24, se logró identificar el

etanol como el único alcohol presente en la muestra.

Figura 24. Cromatógrama para el alcohol obtenido a escala banco.

Después de esto se realiza una rectificación del alcohol en un rotaevaporador a las

condiciones ya mencionadas, esto se realizó únicamente para el etanol obtenido a escala

banco. Con este procedimiento se logró aumentar el contenido de etanol en la muestra, a

pesar de que se reduce el volumen de muestra con este procedimiento. En la Figura 25, se

muestra el cromatógrama, de la muestra diluida, teniendo en cuenta la concentración

diluida que fue de 8.18% v/v y el factor de dilución que fue de 1:10. Se tiene una

concentración final de 81.9% v/v.

Muestra t de

retención Área Altura

Conc. concentrada (%v/v)

Etanol

3 2.26 16’895,341 5’564,757 44.4

39

Figura 251. Cromatógrama para el alcohol obtenido después de la rectificación.

Al comparar los resultados obtenidos a escala laboratorio y escala banco se puede ver en la

Tabla 11, que el mayor contenido de alcohol resulta de la destilación a escala banco y que

después de su rectificación es posible obtener etanol con una mayor pureza. Al escalar el

proceso de obtención de etanol se esperaría una concentración alta de alcoholes y mayores

volúmenes de producción.

Tabla 11. Porcentajes de alcohol resultantes para los destilados a escala laboratorio y

escala banco.

Destilado Volumen (mL) Concentración (% v/v)

Columna batch 845 44.4

Rotaevaporador 69 14.0

Rectificación 650 81.9

Mieles de buena calidad.

Para las mieles de buena calidad se realizaron las pruebas mencionadas anteriormente y se

evaluaron con los parámetros que se establecen a continuación.

La Tabla 12, presenta los rangos para caracterizar la miel invertida teniendo en cuenta % de

azúcares totales, humedad, color, pH, entre otros factores.

Tabla 12. Requisitos establecidos para la miel hidrolizada. (Freire & Landázuri, 2007)

Característica Miel Hidrolizada

Azúcares totales (%) Máximo 81.0

Azucares Invertidos (%) Mínimo 48.0

Sacarosa (%) Máximo 5.0

Humedad (%) Mínimo 17.0-Máximo 23.0

Color (tabla de colorimetría) 3 a 9

pH 3.8-4

40

Coliformes totales (NPM/g) <3

La paleta de colores mostrada en la Figura 26, permite caracterizar la miel de acuerdo a su

color final.

Figura 26. Tabla de colorimetría para la miel hidrolizada. (Freire & Landázuri, 2007)

Determinación de humedad

De acuerdo con la Tabla 12 el porcentaje de humedad presente en la miel debe encontrarse

entre 17% y 23%. Después de llevar a cabo el procedimiento en la termobalanza se tomaron

aquellas muestras que tuvieron una mejor inversión debido a su alto contenido en glucosa y

fructosa y su baja cantidad de sacarosa y se observaron los siguientes resultados.

Figura 27. Humedad para la muestra E1.

En la Figura 27 se puede observar la humedad para la muestra E1 (Ac. Cítrico con una

concentración del 4% a una temperatura de 90°C), la cual cumple con lo establecido

referente a la humedad ya que el porcentaje llega a establecerse en 20.7% el cual se

encuentra en el rango permitido.

Figura 28. Humedad para la muestra E2.

7

9

11

13

15

17

19

21

1 4 7 10 13 16 19 22 25

% H

um

eda

d

Tiempo (min)

79

11131517192123

1 4 7 10 13 16 19 22

% H

um

eda

d

Tiempo (min)

41

En la Figura 28 se puede observar la humedad para la muestra E2 (Ac. Cítrico con una

concentración del 4% a una temperatura de 121°C) la cual se encuentra fuera del rango ya

que se establece en una humedad de 23.5%. Sin embargo la diferencia con la humedad

esperada no es mayor, por lo que se podía concentrar la miel, evaporando para disminuir la

humedad de la muestra.

Figura 29. Humedad para la muestra B1

En la Figura 29 se puede observar la humedad para la muestra B1 (Ac. Fosfórico con una

concentración del 4% a una temperatura de 90°C), la cual al igual que la muestra E1,

cumple con lo establecido referente a la humedad debido a que su porcentaje se establece

en 22.3% y alcanza a estar en el rango.

Coliformes totales

La Norma Técnica Colombiana 587 de 1,994 para las industrias alimentarias e industrias

de bebidas y melaza de caña, establece que para una miel de buena calidad el NMP

(Número más probable) de coliformes máximo puede ser 3 NMP (ICONTEC, 1994).

Después de haber realizado el procedimiento descrito en la metodología para la

identificación de coliformes se encontraron los siguientes resultados.

Figura 30. Pruebas para la determinación de coliformes totales.

De la Figura 30 se puede observar que no se presentaron ningún tipo de colonias por lo que

se puede inferir que la miel no tiene coliformes, esto se atribuye a la exposición de las

mieles a procesos de altas temperaturas, lo que pudo eliminar cualquier microorganismo

79

11131517192123

1 7 13 19

% H

um

eda

d

Tiempo (min)

42

presente, finalmente la no presencia de colonias las caracteriza como mieles aptas para el

consumo humano.

Análisis de colorimetría

Para el análisis por colorimetría se observaron las mieles resultantes después de la inversión

y se evaluaron con la paleta de colores que se presenta en la Figura 26.

(a) (b)

Figura 31. Color mieles en la hidrólisis. (a) Hidrólisis con ácido cítrico a 121°C. (b)

Hidrólisis con ácido fosfórico a 90°C.

De acuerdo con lo observado en la Figura 31, las mieles con ácido cítrico tienen un color

más claro correspondiente en la escala a 5, mientras que la hidrólisis con ácido fosfórico

tiene un color más oscuro que se encuentra muy cercano al 9 en la escala de colores.

Grados Brix, porcentaje de Sacarosa y pH

Para aquellas muestras con mayor inversión en glucosa y fructosa se realizaron pruebas de

grados Brix, pH y % de sacarosa dando los resultados que se muestran en la Tabla 13.

Tabla 13. Parámetros para las mejores muestras

° Brix pH Sacarosa (%)

B1 69 3.91 2

E1 66.3 3.83 29

E2 65.5 3.98 3.29

Se puede observar que las mejores mieles están definidas por su contenido en sacarosa ya

que tanto los grados Brix como el pH cumplen la norma, dando como resultado que la

muestra B1 y E2 son las mejores debido a que su contenido en sacarosa se encuentra entre

43

el rango establecido es decir tiene 5% de esta como máximo. Por otro lado, la muestra E1

no cumple este requerimiento, a pesar de que tuvo una mayor inversión en glucosa y

fructosa, la cantidad de sacarosa comparada con estas muestras es más grande. Este

requerimiento puede cumplirse aumentando la concentración de ácido o de temperatura a

esta muestra para obtener resultados favorables.

De acuerdo con los grados Brix y con base a la Norma Técnica Colombiana NTC 587, las

mejores mieles (B1 y E2) se clasifican como jarabes que pueden ser procesados

industrialmente para obtener productos alimenticios como levaduras entre otros.

(ICONTEC, 1994) Con base en los resultados de las pruebas anteriores se puede establecer

que las mieles obtenidas, son mieles de buena calidad que cumplen con los estándares y

normas mencionadas y pueden ser consumidas como alimento.

Simulación del proceso

La Figura 32 presenta el esquema de la simulación realizada en Aspen Plus V8.0 para el

proceso de producción de mieles invertidas, tafias y etanol.

Figura 32. Simulación del proceso en Aspen Plus V8.0

De la simulación se muestran en la siguiente tabla los resultados de las corrientes

principales del proceso (Miel invertida, Tafia y etanol) ya que son los productos de interés

del proyecto.

Tabla 14. Resultados de las corrientes principales del proceso

Miel invertida Tafia Etanol

Fracción másica

Sacarosa 0.134 0.012 0.00

Glucosa 0.246 0.006 0.00

Fructosa 0.249 0.037 0.00

44

Agua 0.271 0.741 0.093

Dióxido de carbono 0.00 0.099 0.019

Etanol 0.00 0.104 0.888

Ácido Fosfórico 0.098 0.00 0.00

Flujo másico (kg/h) 203.1 250 29.03

Temperatura (°C) 107.0 36 25

Presión (atm) 1 1 1

En la Tabla 14 se puede observar las fracciones de los componentes de cada una de las

corrientes, el flujo másico, la temperatura y presión. De las mieles invertidas se puede

apreciar que se cumple con los requerimientos de mieles de buena calidad, esto ya que la

concentración de azucares es mucho mayor que la cantidad de agua presente en la mezcla

de tal forma que los °Brix se aproximan a los a los 65 grados, los mínimo permitidos, lo

que se asemeja a los resultados encontrados experimentalmente.

Para la corriente de etanol se encuentra una pureza del 88,8%, esto mismo se acerca a lo

obtenido experimentalmente por medio de la rectificación ya que la pureza de etanol es del

81.9%. Así mismo el flujo de etanol obtenido en esta corriente comparado con la cantidad

de jugo fermentado que entra a la torre, es cercano al volumen obtenido a nivel

experimental en porcentaje.

Por último, la corriente de la tafia muestra composiciones similares a las obtenidas en el

laboratorio. De acuerdo con esto se puede concluir que la simulación realizada representa el

trabajo realizado experimentalmente con resultados similares, diferenciándose únicamente

la simulación de los procedimientos experimentales en la escala que es mayor en cuanto a

flujos.

Balances de Masa

Se realizaron los balances de masa por medio de Aspen Plus para las principales unidades

del proceso.

Reactores

Para los balances en los reactores se tuvo en cuenta el avance de la reacción y la conversión

que se obtuvo experimentalmente.

Para la hidrólisis de mieles (Reactor B3) se tomó una conversión de aproximadamente

68,8% de la sacarosa para la reacción que se muestra a continuación, con la cual se llevaron

a cabo los balances molares de las corrientes y luego se convirtieron a flujos másicos.

45

Tabla 15. Balance másico para el reactor de la hidrólisis de mieles.

Flujos de entrada Flujo de salida

kg/h kg/h

Sacarosa 87.75 27.31

Glucosa 18.28 50.09

Fructosa 18.92 50.73

Agua 114.44 111.27

Dióxido carbono 0.000 0.000

Etanol 0.000 0.000

Ácido Fosfórico 20.00 20.00

De igual forma se realizó para la hidrólisis del jugo (Reactor B5) con una conversión del

93%. Se obtuvieron los balances con los flujos molares y luego se convirtieron a flujos

másicos.

Tabla 16. Balance másico para el reactor de la hidrólisis de jugo.

Flujos de entrada Flujo de salida

kg/h kg/h

Sacarosa 87.76 6.14

Glucosa 18.28 61.23


Agua 374.7 370.4


Etanol 0.0 0.0


Los resultados mostrados anteriormente se hallaron con las ecuaciones que se muestra a

continuación.

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

Donde s representa los flujos de salida, e los flujos de entrada al reactor y r el avance de la

reacción.

46

Para la reacción de la producción de etanol la conversión de glucosa utilizada fue de 95%

siguiendo la reacción que se muestra. Con esto se encontraron los flujos molares, y

teniendo en cuenta el peso molecular de los compuestos se encontró los flujos másicos.

Tabla 17. Balance másico para el reactor de la producción de etanol

Flujos de entrada Flujo de

salida

kg/h kg/h

Sacarosa 6.14 6.14

Glucosa 61.23 3.06


Agua 370.4 370.4


Etanol 0.0 25.96


Las ecuaciones que se tuvieron en cuenta para encontrar los resultados anteriores se

muestran a continuación.

( )

( )

(

) ( )

( )

(

) ( )

( )

( )

( )

Columna de Destilación

El balance de masa para la unidad de destilación empleada en la simulación se realizó

tomando los flujos másicos resultantes de Aspen Plus. Se presenta el balance por

componente sobre el equipo al igual que el balance total del proceso de destilación. Las

siguientes son las ecuaciones de balance de masa para cada componente y el balance total,

que igualan las corrientes de entrada con las corrientes de salida.

( )

47

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

Aplicando las ecuaciones anteriores de la 14 a la 21. Se obtuvieron los siguientes resultados

para cada componente que entra a la torre de destilación.

Tabla 18. Resultados balance de masa para la unidad de destilación.

Flujo másico de los componentes(kg/h) Entrada Salidas

Sacarosa 3.07 3.07

Glucosa 1.53 1.53

Fructosa 9.29 9.29

Agua 356 356

Dióxido de carbono 8.59 8.59

Etanol 26.5 26.5


Total 405 405

De acuerdo a los resultados de la Tabla 18, se puede verificar el cumplimiento del principio

de conservación de la materia. Para todos los componentes el balance se cumple, de igual

forma se cumple el balance total. Además de esto se puede observar que se realizó una

remoción del agua presente en el fermentado, con lo que se aumenta la pureza del producto

final, el etanol.

Balance de Energía

Por medio de la simulación se encontró la energía requerida por los equipos, con lo cual se

realizó un balance para encontrar el requerimiento energético total del proceso.

48

Tabla 19. Requerimientos energéticos de las unidades del proceso.

Descripción equipo Equipo en simulación Requerimientos energéticos (kW)

Flash Mieles 1 B2 201

Reactor Hidrólisis miel B3 47.2

Flash Mieles 2 B4 38.8

Reactor Hidrólisis jugo B5 70.4

Reactor de fermentación B6 -93.4

Torre de destilación B10 Condensador -365

B10 Rehervidor 388

Requerimientos energéticos totales 287

Como se expuso anteriormente los altos requerimientos energéticos generan altos costos y

reducen las ganancias de los agricultores y trabajadores de la industria panelera. Uno de los

objetivos del proyecto de regalías es satisfacer estos requerimientos energéticos utilizando

el bagazo de caña en combustión para la producción de energía. La Tabla 19 indica que la

energía necesaria para procesar 1,000 kg/h de jugo de caña y obtener etanol, tafias y mieles

invertidas es de 287 kW.

Análisis económico

A partir de los resultados de los balances de masa y energía obtenidos con la simulación

realizada en Aspen Plus, es posible realizar un análisis económico del proceso estimando

un volumen mayor de producción. La Tabla 20 indica los precios de las materias primas,

servicios, precios de venta de los productos entre otros.

Tabla 20. Precios utilizados en el análisis económico.

Unidad Precio

Materias primas

Jugo $/L 1,200

Ácido fosfórico $/L 23,000

Productos

Miel invertida 70 °Brix $/kg 2,000

Tafia 33,8% alcohol $/kg 8,000

Servicios

Electricidad $/kWh 342

Agua $/m3 2,424

Otros

Salario operario $/h 6,272

Salario supervisor $/h 9,408

49

La planta de producción estaría ubicada en la HRS. Los precios de los servicios, es decir,

agua y energía, fueron tomados de recibos de servicios de una casa en la ciudad de Bogotá,

estrato 4, expedidos por la Empresa de Acueducto de Bogotá y Codensa, respectivamente.

Sin embargo, se espera que estos precios varíen de acuerdo a la ubicación real de la planta.

El precio del jugo de caña y de la miel invertida se obtuvo de las facturas de compra y

cotizaciones de estos, para realizar los experimentos a escala laboratorio y banco.

(Rodríguez, 2013). Los salarios de los trabajadores fueron obtenidos del análisis económico

para procesos similares. (Moreno, 2011) Y finalmente los precios del ácido fosfórico y de

los productos fueron obtenidos de bases de datos económicas como Legiscomex evaluados

para el año 2012 (ya que cuenta con mayor información) de acuerdo con estos se estableció

su valor. Teniendo en cuenta en el caso del ácido empleado un valor más alto ya que se

comprende el transporte del mismo hasta la planta. Para obtener el precio de los productos

se clasificó al etanol producido como “Alcohol etílico con grado alcohólico volumétrico

superior al 80% vol.” mientras que la tafia fue clasificada como “Alcohol etílico y

aguardiente desnaturalizados, de cualquier graduación”

Con base a lo anterior se obtuvo el análisis que se presenta en continuación.

Tabla 21. Análisis económico del proceso.

Unidad Precio

Materia prima $/día 14,717,070

Costos de operación $/día 376,320

Servicios $/día 23,630,791

Costos totales de operación $/día 38,724,182

Venta de mieles invertidas $/día 5,189,989

Venta de tafias $/día 20,000,000

Costo total $/día 13,534,193

Producción de etanol 88% kg/día 258

Costo de producción del

etanol

$/kg 52,498

$/L 41,998

Para la realización del análisis se escaló el proceso a un volumen mayor. El volumen

simulado fue de 1,000 kg/h. En este caso el análisis se hace para una alimentación de jugo

de 10,000 kg/h, operando continuamente. Se asumió 24 horas de operación para obtener los

costos totales de operación diarios que contemplan materia prima, trabajadores y servicios.

Así mismo, se consideran las ventas de la tafia a 34.0% v/v y de las mieles invertidas a 70

°Brix, aproximadamente. De acuerdo con el volumen de etanol obtenido a partir de la

alimentación, se determina el costo del etanol a 88.0% v/v, el costo de producción sería de

$41,998/Litro. Al comparar el costo obtenido con los precios de venta reportados en la base

de datos ya mencionada, cuyo valor es de $40,525/Litro (Legiscomex), es notable que el

costo de producción del alcohol en el presente proyecto es cercano al precio de venta de la

referencia, el costo resultante del análisis de la Tabla 21 se encuentra por encima de la

referencia en un 3.63%. Esta diferencia se puede atribuir a los volúmenes de producción,

50

alzas en los costos de materias primas y transporte de las anteriores, también al costo de los

servicios.

Se espera una reducción del costo de producción al tratar un mayor volumen de jugo con el

que se pudiera obtener mayor volumen de los productos secundarios, es decir de las tafias y

mieles invertidas, ponerlos a la venta y obtener mayores ganancias. También se espera

reducir costos de servicios al utilizar fuentes de energía producidas por la misma planta

como lo contempla el proyecto de regalías de Boyacá. Esto con el fin de tener un costo de

producción considerablemente menor al precio de venta obtenido en el proyecto y menor al

de las referencias para generar rentabilidad con las ganancias del proceso y del producto.

Además de alcanzar un posicionamiento estratégico en el mercado y competir con grandes

productores de alcohol para consumo humano.

51

CAPITULO IV

IV. CONCLUSIONES

En el proceso de inversión de mieles, se encontró que a una concentración de ácido

(fosfórico o cítrico) de 4% p/p (dentro de los rangos permitidos para el consumo

humano), la molécula de sacarosa tiene una mayor inversión, lo que representa un

aumento en los niveles de glucosa y fructosa. De acuerdo con los resultados observados

la temperatura y el tipo de ácido tienen gran influencia en el proceso de hidrólisis, en el

caso del ácido fosfórico se tiene mayor porcentaje de inversión en las mieles procesadas

a 90°C. Mientras que para el ácido cítrico se tiene un aumento significativo de azucares

con una temperatura de 121ºC.

Con estas condiciones de operación se obtuvieron mieles invertidas que cumplen con

los requerimientos exigidos en la Norma Técnica Colombiana 587, que se clasifican

como mieles o jarabes aptos para el consumo. Esta clasificación se llevó a cabo

verificando el porcentaje de sacarosa, los grados Brix, la humedad y la ausencia de

coliformes totales en las muestras entre otros factores cuantitativos y cualitativos como

el color. Las mieles que fueron clasificadas según la norma mencionada corresponden a

las muestras B1 y E2. La primera tratada con ácido fosfórico a 4% (p/p) y una

temperatura de 90ºC, tuvo grados Brix correspondientes a 69, un pH de 3.91, un

porcentaje de sacarosa del 2% y color de 9 en la escala establecida. Respecto a la

muestra E2, tratada con ácido cítrico a 4% (p/p), temperatura de 121ºC, se obtuvieron

resultados de 65.5ºBrix, pH de 3.98, 3.29% de sacarosa y un color de 5 correspondiente

en la escala. Ambas muestras con resultados permitidos entre los rangos permitidos de

acuerdo a la norma. (ICONTEC, 1994) Las mieles o jarabes obtenidos se pueden

destinar para la fabricación de alimentos y concentrados de engorde para animales

como harinas de miel de caña y melaza para cerdos y ganado como suplemento

energético. Así mismo, pueden ser destinadas para la elaboración de productos de

confitería y panadería, siendo fuente de nutrientes y energía en la dieta del hombre. En

la industria de la repostería, la miel invertida tiene gran demanda ya que genera aporta

numerosas ventajas a los productos alimenticios ya que aumenta la retención de

humedad, la duración y la calidad de los mismos. Además se obtuvo un rendimiento del

proceso del 85.05% en peso para la muestra B1 (85.05 g de miel a 69°Brix por cada 100

g de miel a 50°Brix alimentada), mientras que la muestra E2 tuvo un rendimiento del

99.2% en peso (99.2 gramos de miel a 65.5°Brix por cada 100 gramos de miel a

50°Brix alimentada). De acuerdo a la simulación el rendimiento del proceso de

obtención de mieles invertidas es de 51.8% en peso (51.8 gramos de miel a 70°Brix por

100 gramos de jugo de caña alimentados al proceso)

En la fermentación se produjo tafias con alto contenido de alcohol para el jugo de caña

sin hidrolizar, utilizando como levadura la Saccharomycess cerevisiae y dejándola

actuar por cerca de 36 horas a una temperatura de 36ºC, condición a la que se tiene su

punto máximo de producción, obteniendo un porcentaje de alcohol del 33.4% (v/v),

para la escala banco que representa el mayor volumen de etanol. Adicionalmente por

52

medio de Cromatografía de Gases se conoce que el único alcohol presente en la muestra

recuperada es etanol, por lo que es un producto apto para ser consumido por el ser

humano. La tafia obtenida puede ser destinada como materia prima para la fabricación

de bebidas alcohólicas en la industria como el ron.

Se realizó una fermentación que dio origen a tafias con alto contenido de alcohol, de tal

forma que al llevar a cabo el proceso de destilación y rectificación se alcanzó una

pureza para el etanol del 81.9% v/v, representando a escala banco un rendimiento del

19.05% en volumen (15.08 g de alcohol producido/100 g de jugo de caña).

Por medio de la simulación realizada en Aspen Plus V8.0 que se realizó para un mayor

volumen de alimentación y producción. Se logró verificar que a las mismas condiciones

de operación y partiendo de los datos experimentales registrados para la conversión de

sacarosa en glucosa y fructosa, y la respectiva conversión de glucosa a etanol, se

tuvieron como resultado flujos con las mismas composiciones reportadas en los

procedimientos del laboratorio, variando evidentemente los flujos debido al escalado

del proceso.

Del análisis económico basado en los balances de masa y energía se obtuvo

información para determinar si el proceso llevado a cabo es un proceso rentable, el

costo de producción del etanol obtenido es de $41,998/Litro similar al precio de venta

en el mercado del año 2012 reportado por bases económicas, que es de $40,525/Litro.

(Legiscomex) Este costo no incluye otros costos generados antes y durante la ejecución

del proyecto no contemplados en los objetivos del presente trabajo, entre los cuáles se

encuentran gastos de puesta en marcha de la planta, gastos tributarios, bienestar para los

trabajadores entre otros.

Se espera una reducción del costo de producción al tratar un mayor volumen de jugo,

con el que se pueda obtener un mayor volumen y mayores ganancias a partir de los

productos secundarios (tafias y mieles invertidas). También se contempla la reducción

de costos de los servicios al utilizar fuentes de energía producidas por la misma planta

como lo contempla el proyecto de regalías de Boyacá. A pesar de que el costo de

producción de etanol en este proyecto se encuentra por encima del precio de venta de

las referencias con un 3.63%, se puede concluir que los resultados sugieren rentabilidad

en el mercado de los productos objeto de este trabajo como lo son las mieles invertidas

conocidas en el mercado como siropes, la tafia y el etanol. Teniendo en cuenta que la

información obtenida experimentalmente proviene de un proceso realizado a escala

laboratorio y escala banco. Se espera que al llevar a cabo el proceso a escala planta

piloto, la rentabilidad aumente y el proyecto represente una oportunidad para la

industria de la panela de abarcar otros mercados, que en la mayoría de los casos

depende únicamente de la comercialización de esta y ha sido afectado por la oferta y la

demanda de productos similares, la competencia y la falsa panela procesada a partir de

53

otros azúcares, desequilibrando la economía de las regiones como es el caso de la

Región de la Hoya del Río Suárez.

CAPITULO V

V. TRABAJO FUTURO Y RECOMENDACIONES

- Como trabajo a futuro se recomienda hacer una investigación y pruebas experimentales

de los procesos paralelos que se observaron en el desarrollo del presente trabajo. Uno

de estos procesos se centra en la hidrólisis del jugo de caña, como se reportó en los

resultados de las pruebas, el jugo hidrolizado inhibió la acción de la Saccharomyces

cerevisiae. Se atribuye este fenómeno al ajuste de pH realizado con hidróxido de sodio,

que probablemente pudo provocar la formación de sales impidiendo la obtención de

alcoholes. Para esto se propone realizar nuevos procedimientos experimentales con el

fin de evaluar el comportamiento de la levadura en medios clasificados por su acidez,

temperatura, entre otros.

- Ligado a esto se podría analizar la capacidad de inversión que tiene naturalmente la

Saccharomyces cerevisiae y su influencia en la producción de alcoholes. Se

recomienda llevar a cabo un estudio enfocado en la inversión de la molécula de la

sacarosa por parte de levaduras y ácidos, evaluando condiciones a las que estos

procesos podrían generar mejores resultados y aportar al mejoramiento de procesos

como los desarrollados en este trabajo, donde se esperan los máximos

aprovechamientos en cada etapa teniendo en cuenta que el contenido azucares

invertidos, es decir, glucosa y fructosa determina el rendimiento de la reacción para la

obtención de alcoholes.

54

CAPITULO VI

VI. REFERENCIAS

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57

VII. Anexos

Anexo 1: Resultados de los experimentos de inversión de Mieles.

En la Tabla A.1.1 se encuentran el contenido de nutrientes de la panela.

Tabla A.1.1 Contenido de nutrientes de la panela. (Durán, 2010)

Componentes Panela

Humedad (%) 8.3

Grasa (%) 0.1

Proteína (%) 0.5

Cenizas (%) 1.1

Fibra (%) ---

Carbohidratos (%) 92.0

Minerales (mg/100g)

Calcio 80.0

Fósforo 60.0

Hierro 2.4

Vitaminas

(mg/100g)

Tiamina (B1) 0.02

Riboflavina (B2) 0.07

Niacina 0.30

Ácido ascórbico 3.00

Energía (cal/100g) 312

Parte comestible (%) 100

Primera etapa:

En la Tabla A.1.2 se presentan la concentración de sacarosa, glucosa y fructosa para todas

las 36 pruebas realizadas con mieles a 70 ºBrix y 60°C.

58

Tabla A1.2. Concentración de Glucosa y Fructosa para las muestras a 60⁰C.

La Tabla A.1.3 reporta la concentración de sacarosa, glucosa y fructosa para las pruebas

realizadas con mieles a 70°Brix a 85°C.

Muestra

Concentración

Diluida

(mg/mL)

Concentración

Concentrada

(mg/mL)

Concentración

Diluida

(mg/mL)

Concentración

Concentrada

(mg/mL)

Concentración

Diluida

(mg/mL)

Concentración

Concentrada

(mg/mL)Tiempo Ácido

0 20.6 1,050 0.94 47.7 1.00 50.9

1 60.5 1,572 2.75 71.6 2.53 65.9

2 48.2 1,254 1.90 49.4 1.98 51.4

3 51.6 1,341 2.16 56.2 1.91 49.6

4 50.4 1,310 2.08 54.2 1.84 47.8

5 49.0 1,273 1.98 51.6 1.89 49.1

6 48.2 1,254 1.93 50.2 1.75 45.5

7 54.1 1,407 2.30 59.8 2.11 54.8

8 60.9 1,583 2.78 72.4 2.60 67.5

9 50.1 1,302 1.99 51.8 1.78 46.3

10 51.8 1,346 2.11 54.9 2.00 52.1

11 48.2 1,253 1.97 51.2 1.86 48.3

12 48.0 1,247 1.77 46.0 1.64 42.7

13 59.9 1,558 2.65 68.8 2.56 66.6

14 52.2 1,356 2.14 55.5 1.93 50.3

15 51.7 1,344 2.11 54.8 1.91 49.8

16 46.4 1,206 1.71 44.4 1.50 38.9

17 63.6 1,654 2.91 75.7 2.71 70.6

18 53.7 1,396 2.29 59.6 2.08 54.1

19 46.7 1,213 1.79 46.5 1.55 40.2

20 52.2 1,357 2.22 57.8 2.01 52.2

21 50.2 1,306 1.99 51.6 1.75 45.4

22 49.6 1,290 1.84 47.9 1.62 42.2

23 55.9 1,453 2.31 60.1 2.08 54.2

24 45.2 1,176 1.57 40.9 1.34 34.9

25 47.6 1,238 1.89 49.0 1.67 43.4

26 50.0 1,299 2.19 56.8 1.79 46.6

27 55.4 1,441 2.60 67.6 2.33 60.7

28 53.2 1,383 2.42 62.9 2.17 56.3

29 54.2 1,408 2.71 70.5 2.45 63.7

30 54.0 1,403 2.52 65.6 2.35 61.1

31 56.0 1,457 2.40 62.4 2.15 55.8

32 64.7 1,681 3.05 79.2 2.79 72.7

33 63.2 1,643 2.96 77.0 2.70 70.1

34 50.8 1,322 2.09 54.4 1.86 48.3

35 50.3 1,308 1.88 49.0 1.64 42.8

36 35.8 932 2.46 63.9 2.72 70.8

H3PO4

Miel inicial

HCl

H3PO4

HCl

H3PO4

HCl

90 min

130 min

130 min

90 min

SACAROSA GLUCOSA FRUCTUOSA

60 min

60 min

59

Tabla A1.3. Concentración de Glucosa y Fructosa para las muestras a 85⁰C

Segunda etapa:

Corresponde a los experimentos realizados con mieles a 50ºBrix. La Tabla A1.3 muestra las

áreas y concentraciones dadas para cada estándar y tipo de azúcar dadas por el HPLC.

Muestra

Concentración

Diluida

(mg/mL)

Concentración

Concentrada

(mg/mL)

Concentración

Diluida

(mg/mL)

Concentración

Concentrada

(mg/mL)

Concentración

Diluida

(mg/mL)

Concentración

Concentrada

(mg/mL)

Tiempo Ácido

37 45.0 1,169 2.19 56.9 2.09 54.4

38 44.8 1,164 1.96 50.9 1.81 47.2

39 41.7 1,083 1.85 48.0 1.74 45.4

40 42.6 1,107 1.92 49.8 1.78 46.2

41 47.2 1,227 2.13 55.5 2.09 54.4

42 41.6 1,083 1.92 49.9 1.83 47.5

43 43.5 1,132 2.30 59.9 2.27 59.0

44 42.5 1,106 2.44 63.4 2.39 62.1

45 43.0 1,118 2.59 67.4 2.54 66.0

46 38.2 993 2.24 58.3 2.15 56.0

47 41.4 1,076 2.42 63.0 2.35 61.2

48 42.0 1,091 2.67 69.5 2.61 68.0

49 45.5 1,183 2.10 54.6 2.10 54.6

50 44.6 1,159 1.91 49.6 1.91 49.5

51 44.1 1,147 1.88 49.0 1.89 49.0

52 34.5 898 1.50 38.9 1.47 38.3

53 43.0 1,117 1.97 51.2 1.94 50.5

54 43.0 1,118 1.99 51.7 1.97 51.2

55 42.0 1,091 2.33 60.5 2.29 59.6

56 41.1 1,069 2.51 65.2 2.45 63.7

57 42.9 1,117 2.86 74.3 2.80 72.9

58 46.2 1,201 3.16 82.2 3.13 81.5

59 43.3 1,125 3.04 79.1 3.00 77.9

60 40.0 1,039 3.04 79.0 2.96 77.1

61 43.0 1,118 2.08 54.2 2.10 54.6

62 43.2 1,123 2.04 53.1 2.03 52.7

63 43.6 1,132 2.10 54.5 2.07 53.9

64 40.6 1,056 2.03 52.8 1.99 51.8

65 39.0 1,014 1.89 49.2 1.86 48.3

66 39.0 1,015 2.02 52.6 1.99 51.6

67 43.6 1,133 2.64 68.7 2.60 67.6

68 41.8 1,086 2.46 63.9 2.41 62.8

69 43.8 1,140 2.69 69.9 2.68 69.7

70 44.2 1,149 2.50 64.9 2.67 69.5

71 40.5 1,053 2.73 70.9 2.74 71.2

72 40.4 1,050 2.91 75.6 2.84 73.9

0 20.6 1,050 0.94 47.8 1.00 50.9

H3PO4

HCl

H3PO4

HCl

H3PO4

HCl

90 min

130 min

Sacarosa Glucosa Fructosa

60 min

60

Tabla A1.4. Estándares para la cuantificación de jugos y mieles.

Área Concentración Azucares

Sacarosa Glucosa Fructosa Sacarosa Glucosa Fructosa

St 0.1 52,895.9 62,821.4 35,749.8 1.00 1.09 1.06

St 0.5 266,159.5 190,034.7 160,246.5 1.64 1.46 1.44

St 1 359,007.2 358,314.4 318,125.6 1.92 1.96 1.92

St 2 708,286.2 709,186.5 677,518.7 2.96 2.99 3.02

St 3 1,095,651.0 1,089,827.9 1,035,096.3 4.11 4.12 4.11

St 4 1,453,578.6 1,445,503.5 1,386,647.3 5.18 5.17 5.18

St 5 1,837,091.5 1,812,008.5 1,756,425.4 6.32 6.25 6.31

St 20 7,300,928.0 7,366,313.0 7,110,895.5 22.62 22.66 22.63

Conociendo el área y la concentración se llevó a cabo la curva de calibración con una

regresión lineal, desde la cual se obtuvo las concentraciones para las muestras de la miel y

jugo hidrolizado.

( ) ( )

Tabla A1.5. Coeficientes de la ecuación para la curva de calibración.

A b R2

Sacarosa 2.98E-06 0.844 1

Glucosa 2.95E-06 0.900 1

Fructosa 3.05E-06 0.949 1

Una vez se encontraron los coeficientes de la ecuación se calcularon con las áreas dadas por

el HPLC la concentración de las mieles dando los resultados que se encuentran en la Tabla

A1.6.

61

Tabla A1.6. Cuantificación de mieles invertidas para mieles y jugo

La Tabla A.1.7 muestra la densidad y concentración de los ácidos utilizados en la

hidrólisis durante la segunda etapa de inversión:

Tabla A1.7. Densidades y concentraciones de los ácidos utilizados en la inversión.

Densidad (g/mL) % Ácido

1.58 75 Á. Fosfórico

1.69 85 Á. Fosfórico

1.66 85 Á. Cítrico

En la Tabla A.1.8 se registraron los valores de pH y grados Brix de la miel y el jugo

original, antes de ser tratados en procesos de hidrólisis y fermentación en el caso del jugo.

Tabla A1.8. pH y grados Brix para la miel y el jugo original.

Miel Original Jugo Original

pH 5.42 3.97

° Brix 52.2 13

El peso y volumen de la miel original y el ácido utilizado en la hidrólisis se reportan en la

Tabla A.1.9, de igual forma se reportan los grados Brix, el pH, peso y volumen de las

mieles invertidas resultantes, a una temperatura de 90°C y un tiempo de 180 minutos.

Azucares Sacarosa Glucosa Fructosa

Muestra Sacarosa Glucosa Fructosa Totales % % %

A2 54.02 291.68 202.69 548.39 9.85 53.19 36.96

B2 48.54 363.52 224.74 636.81 7.62 57.09 35.29

C2 46.28 340.18 209.24 595.69 7.77 57.11 35.12

D2 33.97 365.64 313.96 713.57 4.76 51.24 44.00

E2 29.09 440.89 411.45 881.43 3.30 50.02 46.68

F2 13.83 429.52 408.69 852.05 1.62 50.41 47.97

A1 328.97 240.02 218.78 787.78 41.76 30.47 27.77

B1 218.88 274.23 259.87 752.97 29.07 36.42 34.51

C1 171.57 326.82 313.03 811.41 21.14 40.28 38.58

D1 17.83 364.66 349.38 731.88 2.44 49.83 47.74

E1 23.93 603.19 554.92 1182.04 2.02 51.03 46.95

F1 22.68 484.64 441.29 948.62 2.39 51.09 46.52

1 50.55 10.53 10.92 72.00 70.20 14.62 15.17

2 105.74 24.80 25.11 155.65 67.93 15.93 16.13

3 9.27 92.32 87.21 188.80 4.91 48.90 46.19 Ác. Fosforico 90⁰C

Concentración concentrada (mg/mL)Ácido

Ácido Fosfórico

Jugo inicial

Miel inicial

Ácido Fosfórico

Temperatura

121⁰C

Ácido Cítrico

Ácido Cítrico

90⁰C

62

Tabla A1.9. Datos de la miel original, el ácido utilizado y la miel obtenida con la

hidrólisis a 90°C y 180 minutos.

De igual forma en la Tabla A.1.10 se presentan los volúmenes, pesos entre otros, de la

inversión de mieles llevada a cabo a una temperatura de 121°C durante 80 minutos.

Tabla A1.10. Datos de la miel original, el ácido utilizado y la miel obtenida con la

hidrólisis a 121°C y 80 minutos.

La hidrólisis del jugo de caña se realizó únicamente con ácido fosfórico, con una

concentración de 4% p/p como se muestra en la Tabla A.1.11. Se realizó en dos beakers

para tener un mayor volumen de jugo hidrolizado. Sin embargo, el jugo resultante de la

hidrólisis se fermentó en el mismo balón.

Tabla A1.11. Datos del jugo hidrolizado.

Ácido utilizado Jugo

Muestra Vol. Beaker (mL) % Ácido Peso ácido (g) Volumen (mL) Peso inicial (g) Peso final (g)

Beaker 1 800 4% 25.0 14.8 624 381

Beaker 2 600 4% 16.7 9.9 417 175

Muestra Ácido % Ácido Peso ácido (g) Volumen (mL) Peso inicial (g) Peso final (g) Volumen (mL) pH °Brix

A1 Á. Fosfórico 3% 3.52 2.1 117 114 100 3.93 56.7

B1 Á. Fosfórico 4% 4.77 2.8 119 101 100 3.91 66.1

C1 Á. Fosfórico 5% 5.91 3.5 118 119 100 3.70 55.9

D1 Á. Cítrico 3% 3.55 2.1 118 96.7 100 3.22 65.9

E1 Á. Cítrico 4% 4.75 2.9 119 116 100 3.83 57.4

F1 Á. Cítrico 5% 6.08 3.7 122 107 100 3.87 61.4

Ácido utilizado Miel

Muestra Ácido % Ácido Peso ácido (g) Volumen (mL) Peso inicial (g) Peso final (g) Volumen (mL) pH °Brix

A2 Á. Fosfórico 3% 1.57 0.93 52.5 53.37 50 2.30 53.7

B2 Á. Fosfórico 4% 2.12 1.25 52.9 54.14 50 2.70 50.7

C2 Á. Fosfórico 5% 2.62 1.55 52.4 53.83 50 2.98 52.4

D2 Á. Cítrico 3% 1.60 0.96 53.3 52.82 50 3.76 55.1

E2 Á. Cítrico 4% 2.12 1.27 52.9 53.31 50 3.98 54.1

F2 Á. Cítrico 5% 2.62 1.57 52.4 53.15 50 3.98 54.4

Ácido utilizado Miel

63

Anexo 2: Resultados de la Fermentación.

A continuación se presentan los volúmenes, pesos y pH de los jugos antes de la

fermentación y de las tablas resultantes:

Tabla A2.1. Datos iniciales y finales de las tafias obtenidas a escala laboratorio y

escala banco.

Inicial Final

Muestra pH Volumen (mL) Peso (g) pH Volumen (mL) Peso (g)

Fermentado 1 (Hidrolizado) 1.37 468 747 3.67 445 710

Fermentado 2 (Sin hidrolizar) 3.97 500 691 3.51 282 284

Fermentado 3 (Bioreactor) 3.89 4000 3916 3.63 3412 3383

En la Tabla A2.1 se puede ver que el pH inicial del fermentado 1es de 1.37, este pH fue

modificado antes de la fermentación utilizando hidróxido de sodio para llevar el jugo a un

pH aproximado de 4.

La Figura A2.1 corresponde al cromatógrama de la tafia obtenida a escala laboratorio cuya

concentración de etanol fue de 10.2% v/v.

Figura A2.1. Cromatógrama de la tafia obtenida a escala laboratorio

En la Figura A2.2 se presenta el cromatógrama de la tafia obtenida a escala laboratorio que

tuvo una concentración de etanol de 34.0 % v/v.

64

Figura A2.2. Cromatógrama de la tafia obtenida a escala banco.

65

Anexo 3: Resultados de la Destilación.

Antes de realizar la cuantificación de alcoholes por el método de Cromatografía de Gases,

se estimó el contenido de alcohol de los destilados utilizando el alcoholímetro que se

muestra en la Tabla A3.1, esto con el fin de tener información inicial y realizar las

diluciones para el cromatógrafo.

Tabla A3.1. Porcentaje de alcohol estimado con alcoholímetro.

Muestra Volumen (mL) % Alcohol

Rectificación 650 69

Columna batch 845 26.4

Rotaevaporador 69 10.4

66

Anexo 4: Calidad de mieles invertidas

La Tabla A4.1., A4.2. y A4.3 presentan el porcentaje de humedad con respecto al tiempo

para las muestras E1, E2 y B1, respectivamente.

Tabla A4.1. Humedad para la muestra E1 con respecto al tiempo.

Minuto % Humedad

1 7.3

2 8.8

3 11.1

4 11.6

5 12.6

6 13.5

7 14.1

8 14.8

9 15.4

10 15.9

11 16.4

12 16.8

13 17.3

14 17.6

15 18.2

16 18.3

17 18.6

18 19.0

19 19.2

20 19.4

21 19.6

22 19.9

23 20.1

24 20.3

25 20.5

26 20.7

26.3 20.7

67

Tabla A4.2. Humedad para la muestra E2 con respecto al tiempo.

Minuto % Humedad

1 7.15

2 8.46

3 10.9

4 12.9

5 14.4

6 15.6

7 16.7

8 17.6

9 18.6

10 19.0

11 19.6

12 20.1

13 20.7

14 21.2

15 21.3

16 21.7

17 22.0

18 22.3

19 22.5

20 22.8

21 23.0

22 23.2

23 23.4

23.8 23.5

Tabla A4.3. Humedad para la muestra B1 con respecto al tiempo.

Minuto % Humedad

1 7.8

2 10.6

3 12.5

4 13.5

5 15.4

6 16.3

7 17.0

8 18.1

68

9 18.7

10 19.3

11 19.5

12 20.1

13 20.5

14 20.8

15 21.1

16 21.4

17 21.6

18 21.9

19 22.0

20 22.2

21 22.4

69

Anexo 5: Resultados de Simulación.

Balances de Masa

La siguiente tabla presenta los resultados obtenidos para el balance de masa del evaporador

flash (Unidad B2):

Tabla A5.1. Balance de masa para el evaporador flash (B2).


Sacarosa 87.8 87.8

Glucosa 18.3 18.3

Fructosa 19.0 19.0

Agua 375 375


Etanol 0.00 0.00


Total 500 500

El evaporador flash (B4), es el equipo utilizado en la última parte del proceso de inversión

de mieles. De allí se obtiene la miel invertida resultante. El balance de masa para esta

unidad se presenta a continuación:

Tabla A5.2. Balance de masa para el evaporador flash (B4).


Sacarosa 27.3 27.3

Glucosa 50.1 50.1

Fructosa 50.7 50.7

Agua 111 111


Etanol 0.00 0.00


Total 259 259

Se verifica el cumplimiento del balance de masa en la Tabla A5.3 del divisor que separa la

corriente de fermentado para destilar y la tafia para comercializar.

70

Tabla A5.3. Balance de masa para el divisor (B7).

Flujo másico de los

componentes(kg/h) Entrada Salidas

Sacarosa 6.14 6.14

Glucosa 3.06 3.06

Fructosa 18.6 18.6

Agua 371 371


Etanol 51.9 51.9


Total 500 500

Por último, el balance de la torre para la remoción de CO2, se muestra en la Tabla A5.4.

Tabla A5.4. Balance de masa para la torre de absorción de CO2 (B9)


Sacarosa 3.07 3.07

Glucosa 1.53 1.53

Fructosa 9.29 9.29

Agua 360 360


Etanol 26.0 26.5


Total 425 434

En la Tabla A5.5 se encuentra la descripción de las unidades del proceso utilizadas en

Aspen Plus ® V8.

Tabla A5.5. Descripción de unidades de operación.

Bloque Unidad Descripción

B1 Separador

Esta unidad separa la corriente de jugo que

viene de la clarificación en dos corrientes:

producción de mieles invertidas en la

primera (2) y la segunda (8) para producción

de tafia y etanol.

B2 Flash

El Flash cumple la función de aumentar los

grados Brix del jugo hasta 55 por medio de

la evaporación del agua que este contiene, la

71

cual sale por la corriente 3 mientras que la

miel sigue por la corriente 4.

B3 Reactor

Después de tener aproximadamente 55ºBrix

se realiza la hidrólisis del jugo con ácido

fosfórico, el cual entra en la corriente 20 a un

reactor estequiométrico, para tener como

resultado miel invertida con unos ºBrix más

bajos.

B4 Flash

Este flash cumple la función de aumentar

aún más los ºBrix de la miel por encima de

los 66º Brix para darle las características de

miel invertida. Lo que da como corrientes de

salida agua en la línea 6 y miel invertida

como producto final (7).

B5 Reactor

Este reactor recoge el jugo clarificado el cual

se invierte, simulando el proceso de

inversión que se obtiene con la levadura

Saccharomyces Cerevisiae para convertir la

sacarosa en fructosa y glucosa.

B6 Reactor

Una vez se tiene el jugo invertido se realiza

la fermentación con la misma levadura

aprovechando los azucares obtenidos para la

obtención de alcoholes (etanol).

B7 Separador

Esta unidad separa lo que se obtuvo en la

fermentación como tafia para destinar una

parte de esta a la producción de alcoholes

(11) y la otra como producto final (12).

B8 Mezclador

En el mezclador se encuentra la corriente 11

que viene de la tafia obtenida en la

fermentación y la corriente 19 en forma de

vapor que viene de la destilación y con la

cual se busca recuperar un poco del etanol de

la destilación.

B9 Torre de absorción

Debido a la formación de CO2 en la

fermentación, es necesaria su remoción con

una gran cantidad de agua (14) por medio de

una torre de absorción.

B10 Torre de destilación

A esta torre entra la tafia libre de CO2 (16) y

se destila a temperaturas cercanas al punto de

ebullición del etanol de tal manera que por la

parte de arriba se obtiene etanol como

producto final (18)

obtenciÓn de productos de valor agregado a partir …

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