Refinería de azúcar

Una refinería de azúcar es una refinería que procesa azúcar sin refinar de caña o remolacha en azúcar blanca refinada.​ Muchos ingenios de caña de azúcar producen azúcar cruda, que es azúcar que todavía contiene melaza, lo que le da más color (e impurezas) que el azúcar blanca que normalmente se consume en los hogares y se usa como ingrediente en refrescos y alimentos. Si bien el azúcar de caña no necesita refinarse para ser apetecible, el azúcar de la remolacha azucarera casi siempre se refina para eliminar el sabor fuerte, generalmente no deseado, de la remolacha.​ El azúcar refinada producida es sacarosa pura en más del 99 por ciento.​ Muchos ingenios azucareros solo operan durante la temporada de cosecha (la "zafra"), mientras que las refinerías pueden trabajar todo el año. Las refinerías de remolacha azucarera tienden a tener períodos más cortos cuando procesan la remolacha (la "campaña") que las refinerías de caña, pero pueden almacenar productos intermedios (como jarabe espeso) y procesarlos fuera de temporada. El azúcar sin refinar se procesa y vende localmente o se exporta y refina en otros lugares.​ Historia Orígenes y desarrollo técnico Las refinerías de azúcar se remontan al Egipto árabe en el siglo XII.​ Una versión artesanal es el trapiche, luego sustituido por el engenho o ingenio durante la expansión colonial europea en América. A principios de la era moderna, el proceso constaba de algunos pasos estándar:​ Clarificación: El azúcar sin refinar se ponía en una caldera de cobre y se mezclaba con sangre de buey (fuente de albúmina) y agua de cal. La mezcla se dejaba reposar una noche para que se disolviera. Por la mañana, se encendía un fuego debajo de la caldera. La albúmina se coagulaba y depositaba las impurezas sólidas del azúcar, formando una escoria que se eliminaba constantemente. Luego se continuaba la cocción a fuego lento hasta que una muestra de la mezcla se volvía transparente. Posteriormente se hervía rápidamente hasta tal consistencia que podía formar hilos entre el dedo índice y el pulgar. En ese momento el fuego se apagaba. Granulación: El jarabe se trasladaba a un recipiente donde se agitaba con remos de madera hasta granular. Moldeo: El azúcar se vertía en moldes cónicos de barro (formas) que permitían escurrir la melaza restante. Revolución industrial El desarrollo de la refinería de azúcar moderna estuvo impulsado por varias innovaciones clave:​ 1813: Franz Achard construye la primera fábrica de azúcar de remolacha en Silesia (actual Polonia), sentando las bases de la industria europea de remolacha. 1843: Norbert Rillieux (ingeniero estadounidense de origen criollo) patenta el evaporador de efecto múltiple, que revolucionó la eficiencia energética de las refinerías. 1850-1900: La introducción de centrífugas (reemplazando los moldes cónicos) y filtros prensa acelera el proceso. 1930s: Desarrollo de resinas de intercambio iónico para la decoloración y purificación. Refinación en el Reino Unido La industria de refinación británica comenzó en 1544 y se centró en los puertos de Glasgow, Liverpool, Bristol y Londres. Los riesgos involucrados en las grandes refinerías (incendios frecuentes) estimularon el desarrollo de la industria de seguros. Hubo 16 incendios en las refinerías de Greenock entre 1859 y 1895.​ Tate & Lyle se convirtió en la empresa de refinación dominante de Gran Bretaña en el siglo XX, pero vendió su negocio de refinación de azúcar en 2010 a American Sugar Refining (ASR Group).​ Refinerías modernas Las refinerías de azúcar a menudo se encuentran en regiones que consumen mucha azúcar, como América del Norte, Europa y Japón. Desde la década de 1990, se han construido muchas refinerías de azúcar de última generación en la región de Medio Oriente y África del Norte, por ejemplo, en Dubái, Arabia Saudita y Argelia. La refinería de azúcar más grande del mundo es la American Sugar Refining (ASR Group), con instalaciones en América del Norte y Europa.​ Procesamiento de azúcar crudo El proceso de refinación del azúcar consta de varias etapas secuenciales que eliminan las impurezas y producen sacarosa de alta pureza. 1. Afinación (Affination) El azúcar sin refinar se almacena en grandes almacenes y luego se transporta a la refinería mediante cintas transportadoras. En el proceso de refinación tradicional, el azúcar sin refinar se mezcla primero con jarabe espeso y se centrifuga para lavar la capa exterior de los cristales de azúcar sin refinar, que es menos pura que el interior del cristal. Muchas refinerías compran azúcar de alta pureza (azúcar crudo de caña de alta calidad) y pueden prescindir del proceso de afinación.​ 2. Purificación En la etapa de purificación, el jugo se mezcla con lechada de cal caliente (una suspensión de hidróxido de calcio en agua). Este tratamiento precipita una serie de impurezas, incluyendo:​ Aniones multivalentes como sulfato, fosfato, citrato y oxalato, que precipitan como sales de calcio. Moléculas orgánicas grandes como proteínas, saponinas y pectinas, que se agregan en presencia de cationes multivalentes. Las condiciones alcalinas convierten los azúcares simples (glucosa y fructosa) y el aminoácido glutamina en ácidos carboxílicos químicamente estables. Si no se tratan, estos azúcares y aminas frustrarían la cristalización de la sacarosa. Carbonatación En el paso de carbonatación, se burbujea dióxido de carbono a través de la solución de azúcar alcalina, precipitando la cal como carbonato de calcio (tiza). Las partículas de tiza atrapan algunas impurezas y absorben otras. Un proceso de reciclaje aumenta el tamaño de las partículas de tiza y se produce una floculación natural donde las partículas pesadas se depositan en tanques (clarificadores). Una adición final de más dióxido de carbono precipita más calcio de la solución; esto se filtra, dejando una solución de azúcar marrón claro dorada más limpia llamada "jugo diluido".​ En 1935, los insumos requeridos para procesar 1 tonelada corta (907 kg) de remolacha se describieron de la siguiente manera:​ 80 libras (36,3 kg) de caliza 250 libras (113,4 kg) de coque (para convertir la caliza en cal viva) 2500 galones americanos (9463,5 L) de agua Fosfatación La fosfatación se logra agregando ácido fosfórico después de agregar hidróxido de calcio para formar fosfato de calcio.​ El fosfato de calcio resultante atrapa impurezas y flota hacia la superficie, donde se elimina por desnatado. 3. Decolorización Después de filtrar los sólidos restantes, el licor de azúcar clarificado se decolora mediante filtración a través de:​ Hueso carbonizado (carbón de huesos animales), tradicional pero en desuso por preocupaciones éticas y de suministro. Lecho de carbón activado granular (GAC) o en polvo (PAC). Resinas de intercambio iónico (en plantas modernas). Membranas de ultrafiltración o nanofiltración (tecnologías más recientes). El uso de hueso carbonizado ha sido objeto de controversia, especialmente entre consumidores vegetarianos y veganos. La mayoría de las refinerías modernas han reemplazado el carbón animal por carbón activado o resinas.​ 4. Evaporación El jugo fino se concentra por evaporación de efecto múltiple (generalmente 3-5 efectos) para hacer un "jugo espeso", aproximadamente 60% de sacarosa por peso, similar en apariencia al jarabe de arce. También se esteriliza con luz ultravioleta o mediante pasteurización térmica. El jugo espeso se puede almacenar en tanques para su posterior procesamiento, lo que reduce la carga en la planta de cristalización.​ 5. Cristalización Alimentar el jugo espeso a los cristalizadores es el primer paso de este subproceso. El azúcar reciclado se disuelve en el jugo y el jarabe resultante se llama licor madre. El licor se concentra aún más hirviéndolo al vacío (para reducir la temperatura de ebullición y evitar la caramelización) en recipientes grandes llamados tachos de vacío (vacuum pans) y se "siembra" con finos cristales de azúcar (un proceso llamado siembra o puntillado). Estos cristales crecen a medida que el azúcar de las aguas madres se deposita a su alrededor. La mezcla resultante de cristales de azúcar y jarabe se llama massecuite (del francés, "masa cocida"). Luego, la masa cocida se pasa a una centrífuga, donde el jarabe espeso (aguas madres) se elimina de la masa cocida. Después de un tiempo predeterminado, se rocía agua en la centrífuga a través de una barra rociadora para lavar los cristales de azúcar, produciendo un jarabe diluido. Entonces, la centrífuga gira a una velocidad muy alta para secar parcialmente los cristales. La máquina se ralentiza y un brazo en forma de arado ("peine") extrae el azúcar blanca refinada de los lados de la centrífuga hacia una planta transportadora ubicada debajo, donde se transporta a un granulador giratorio para secarse con aire caliente. El jarabe espeso (aguas madres de primera) se alimenta a un tacho de vacío de azúcar sin refinar a partir del cual se produce un segundo lote de azúcar ("azúcar de segunda"). Este azúcar es de menor calidad, con más color e impurezas, y es la fuente principal del azúcar disuelto nuevamente en las aguas madres. El jarabe diluido (de segunda) se hierve y se envía para que fluya lentamente alrededor de una serie de unos ocho cristalizadores. A partir de esto, se produce un cristal de azúcar de muy baja calidad ("azúcar de tercera") que también se vuelve a disolver. El jarabe final separado es melaza, que todavía contiene azúcar (aproximadamente 40-50 %), pero contiene demasiadas impurezas para someterse a un procesamiento adicional de manera económica.​ La melaza se almacena en el sitio y puede ser: Agregada a la pulpa de remolacha seca para hacer alimento para animales. Vendida a granel para uso industrial (fermentación, producción de levadura, ron). Fermentada en alcohol (etanol) o biogás. Procesada adicionalmente en refinerías especializadas (ver más abajo).​ 6. Recuperación de azúcar de melaza (Proceso Steffen) Dado que la melaza todavía contiene azúcar (aproximadamente 50-55 % de sólidos, de los cuales 40-50 % es sacarosa), históricamente se han desarrollado procesos para recuperarla. El Proceso Steffen (también llamado proceso de desazucarado por precipitación con cal) se utilizó ampliamente en el siglo XX para recuperar azúcar de la melaza de remolacha. Las fábricas avanzadas tenían una "casa Steffen" adyacente a la planta principal. El proceso se basaba en la precipitación del azúcar como sacarato de calcio, que luego se descomponía para liberar sacarosa.​ Durante la Primera Guerra Mundial, cuando la potasa importada de fuentes europeas no estaba disponible en los Estados Unidos, las "aguas residuales de Steffen" proporcionaron una buena fuente de potasa, generando un flujo de ingresos rentable para las fábricas. La necesidad desapareció inmediatamente después de la guerra. En la década de 1950, la fermentación industrial avanzó para producir glutamato monosódico (MSG), que anteriormente se producía en Japón mediante el costoso proceso de racemización. Utilizando melaza de azúcar de remolacha como sustrato y una bacteria del género Corynebacterium (especialmente Corynebacterium glutamicum), combinada con penicilina o un tensioactivo para bloquear la biotina, se produjo MSG como resultado, abriendo un nuevo mercado para la melaza.​​ Secado y almacenamiento de azúcar El azúcar granulada es azúcar en la que los granos individuales no se agrupan (no apelmazan). Esto se logra mediante un secado controlado. El azúcar se seca primero en un secador rotatorio con aire caliente y luego se sopla aire frío durante varios días en silos de acondicionamiento (conditioning silos) para completar el secado y la cristalización. El producto terminado se almacena en grandes silos de hormigón o acero, con sistemas de control de humedad y temperatura para evitar la formación de terrones. El azúcar se envía: A granel, en camiones cisterna o vagones de ferrocarril para clientes industriales. En bolsas grandes (big bags) de 500-1500 kilogramos (1102,3-3306,9 lb). En sacos de 25-50 kilogramos (55,1-110,2 lb) para clientes institucionales. Empaquetada en paquetes de tamaño doméstico (1 kg, 2 kg, etc.) para minoristas. El azúcar deshidratado debe manipularse con precaución, ya que es posible que se produzcan explosiones de polvo de azúcar si las partículas finas se suspenden en el aire y encuentran una fuente de ignición. Por ejemplo, la explosión de la refinería de azúcar de Georgia en 2008 en Port Wentworth (EE. UU.) provocó 13 muertes y puso de manifiesto los riesgos de la acumulación de polvo de azúcar.​ Subproductos y usos industriales Además de la melaza (descrita anteriormente), las refinerías de azúcar generan otros subproductos: Bagazo: Residuo fibroso de la caña de azúcar después de la extracción del jugo. Se utiliza como combustible en calderas (cogeneración de energía), para fabricar paneles de partículas, papel y como sustrato para la producción de biogás o etanol de segunda generación.​ Pulpa de remolacha: Residuo de la extracción del azúcar de remolacha. Se prensa, seca y se comercializa como alimento para ganado (alto contenido en fibra y energía). Carbonatación de cal (lodo de carbonatación): Residuo de cal (carbonato de calcio) de la etapa de carbonatación. Se utiliza como enmienda de suelos agrícolas (para corregir la acidez) o en la fabricación de cemento. Betabel: Subproducto de la refinación de remolacha que contiene compuestos de sabor (betalainas y otros). Se utiliza en la industria alimentaria y farmacéutica. Aplicación como descongelante Muchas autoridades viales de América del Norte utilizan melaza de remolacha desazucarada (melaza "desacralizada") como producto descongelante o anticongelante en las operaciones de control invernal. La melaza puede usarse directamente,​ combinada con cloruros líquidos y aplicada a las superficies de las carreteras, o usarse para tratar la sal esparcida en las carreteras.​ La melaza presenta varias ventajas sobre la sal de roca sola:​​ Reduce la corrosión de los vehículos y la infraestructura vial. Reduce el punto de congelación de la mezcla (efecto crioscópico), siendo efectiva a temperaturas más bajas (hasta -20 °C). Reduce el rebote y la dispersión de la sal de roca, manteniéndola donde se necesita. Reduce el tiempo de activación de la sal para comenzar el proceso de fusión del hielo. Automatización y control de procesos Como en muchas otras industrias, la automatización de fábricas se ha implementado ampliamente en las refinerías de azúcar en las últimas décadas. El proceso de producción generalmente está controlado por un sistema de control de procesos central (DCS - Distributed Control System), que controla directamente la mayoría de las máquinas y componentes (temperaturas, presiones, caudales, niveles). Solo para ciertas máquinas especiales, como las centrífugas de alta velocidad, se utilizan PLC descentralizados por razones de seguridad y tiempo de respuesta.​ Impacto ambiental Las refinerías de azúcar generan varios impactos ambientales significativos: Consumo de agua: Las refinerías tradicionales consumen grandes volúmenes de agua (hasta 10-15 m³ por tonelada de azúcar). Las plantas modernas han reducido este consumo mediante el reciclaje y la reutilización. Generación de residuos: Lodos de carbonatación, melaza, bagazo, pulpa de remolacha. Muchos de estos residuos se valorizan como subproductos. Consumo energético: Las refinerías son intensivas en energía (vapor y electricidad). Muchas plantas modernas son autosuficientes energéticamente mediante la quema de bagazo (en el caso de la caña) o biogás (en el caso de la remolacha). Emisiones atmosféricas: Polvo (de los secadores y manipulación de azúcar), óxidos de nitrógeno y azufre (de las calderas), dióxido de carbono (de la fermentación y calderas). Olor: La fermentación de melaza y el procesamiento de remolacha pueden generar olores característicos (a veces desagradables) en las comunidades circundantes. Véase también Azúcar Ingenio azucarero Refinación de azúcar estadounidense Tate & Lyle Norbert Rillieux Melaza Bagazo Explosión de polvo Referencias Enlaces externos Glosario en línea relacionado con el azúcar (enlace archivado) Sugar Refining - SKIL (Sugar Knowledge International) ASR Group - American Sugar Refining (fabricante líder mundial) Südzucker Group - Importante productor europeo de azúcar de remolacha