Composición química de la caña y factores que afectan … · (material) de sacarosa, glucosa y...
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Composición química de la
caña y factores que afectan
la determinación de sacarosa
y el proceso azucarero
Jesús Eliecer Larrahondo Aguilar, PhD.
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Fisiología de la caña de azúcar
➢ Planta tipo C-4.
➢ Características: alta tasa de fotosíntesis y alta producción de
biomasa.
➢ Familia: Gramineae
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• Formado por cogollos, tallos, hojas verdes y secas, yaguas, chulquines y raíces.
Caña de azúcar
• Material entregado en la industria para la fabricación de azúcar y/o etanol, compuesto porimpurezas, materia extraña derivada de la carga y transporte (CCT).
Materia prima
Conceptos
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Composición de la caña de azúcar
Materia insoluble
(Fibra) 15%
Jugo 85%
Materia disuelta
15%
Agua 70%
Caña de azúcar
100%Impurezas 2%
(no sacarosa)
Sacarosa : 13%
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Constituyentes químicos de
los jugos de caña de azúcar
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CAÑA
JUGO(J): 85%
FIBRA (F):15%
SÓLIDOS SOLUBLES
(BRIX)
BC: 15
BJ: 17,6
SACAROSA (S)
(POL)
PC : 13%. PJ : 15.3%
OTROS (NO POL) (N) . NC: 2% . NJ : 2.3%
- Materiales coloreados
- Polisacáridos
- Azúcares Reductores (AR)
- Impurezas
Principales componentes de la
caña de azúcar
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Constituyentes de los jugos
ORGÁNICOS: Azúcares Sencillos: Glucosa, fructosa
Disacáridos: Sacarosa
Oligosacáridos
Polisacáridos
Colorantes (fenoles, flavonoides, etc)
Aminoácidos, proteínas,
Ácidos orgánicos
INORGÁNICOS: Sales de potasio, fosfato, silica, calcio, magnesio, hierro, etc.
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Son monosacáridos como por ejemplo glucosa y fructosa
Azúcares sencillos(azúcares invertidos o reductores)
G OH F OH
OH
O
Glucosa
Fru cto sa
O
SacarosaO
O
Levogluco seno na
5 - (hidroximetil) - 2 - fura ld ehido
O CHO
Polímeros,
Mater ia l coloreado
NH - R
OOH
R - NH 2
Reacción de Maillard
O
Fructosa
OH
O
Glucosa
Fru cto sa
O
SacarosaO
O
Levogluco seno na
5 - (hidroximetil) - 2 - fura ld ehido
O CHO
Polímeros,
Mater ia l coloreado
NH - R
OOH
R - NH 2
Reacción de Maillard
O
Glucosa
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Disacáridos
G O F
Son azúcares que se forman a partir de dos monosacáridos, por ejemplo
sacarosa
G OH F OH
sacarosa
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Química de la sacarosa
O
OOH
OHOH
OH
OOH
OH
OH
OH
Glucosa Fructosa
Enlace glicosídico
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Azúcar
Hexosas
Hexosa
Respiración
R1
R2
Acumulación de sacarosa
un proceso simple?
Sacarosa
Fuente: SASRI. Sudáfrica. 2005.
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Polímeros
/ proteínas
Sacarosa
Hexosas
32%
10%
21%
Triosas
T. Joven
30
%
Otros
compuestos
Polímeros
/ proteínas
Sacarosa
Hexosas9%
Triosas
15
%
Otros
compuestos
Distribución del carbono
en la caña de azúcar
Fuente: SASRI. Sudáfrica. 2005.
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ISP (Indigenous Sugarcane Polysaccharide) – arabinogalactanos + xylomannanos – constituyente normal de la caña.
Almidón Constituyente normal de la caña.
Glucana Constituyente normal de la caña.
Dextrana Producto microbial; indica degradación de azúcar.
Polisacáridos de la caña
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Compuestos fenólicos
(Precursores del color)
➢ Fenoles sencillos y derivados del ácido shiquímico.
➢ Flavonoides (flavonas y antocianinas).
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El rol de los compuestos fenólicos en la industria azucarera
➢ Realza la reactividad del color.
➢ Forman colorantes de origen enzimático y no-enzimático (browning pigments).
➢ Reacciones de la condensación de fenol-aldehido.
➢ Reacciones fenoles-aminas.
➢ Reacción con hierro y cobre que forman complejos colorados .
➢ Reticulación de polisacáridos.
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Compuesto Libre % Materia seca
Naturaleza y concentración de los aminoácidos en jugos
de caña de azúcar
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Sa
ca
rosa
Producto de la fotosíntesis
Principal azúcar de caña.
Azúcar cristalizable.
Po
l
Porcentaje aparente de sacarosa (relación
masa/masa)
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Relación: Pol / sacarosa P/S =
Indica la diferencia entre pol (sacarosa aparente) y el contenido de
sacarosa (real)
•En soluciones puras P
S= 1.0
•En jugos mixtos P
S= 0.98 – 1.00
•En mieles P
S= 0.80 – 0.97
•Esto ilustra la dificultad para interpretar un balance de pol en la fábrica.
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Pol derivado (Pold)
Concepto de Morel du Boil y Schäffler
• Pold = % S + 0.015 (20 % G + 20 % F)
• Donde: % S, % G, % F son las concentraciones en: masa/100 masa
(material) de sacarosa, glucosa y fructosa.
DG DF
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Buena relación y acuerdo entre Pol y Pold
• Sugiere que las mayores sustancias ópticamente activas: son sacarosa,
glucosa y fructosa.
• Pol > pold Sugiere presencia de otras sustancias dextro-rotatorias tales
como dextranas.
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Alteraciones del poder rotatorio de la sacarosa en las determinaciones del pol
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Concentración de la sacarosa
Temperatura
Concentración de impurezas
ópticamente activas
Concentración de
sales
Factores que afectan la rotación específica
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Efecto de la concentración en una rotación específica de sacarosa
69.9
66.5
66.4
66.3
66.2
66.1
66.0
0 10 20 30 40 50
% sacarosa
20
D
• La rotación específica (20) de la sacarosa se incrementa en soluciones de 5% al 15% y luego
disminuye.
Efecto de la concentración de sacarosa
D
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Corrección por temperatura para soluciones puras de sacarosa
•P20 = P΄1 + 0.0003 (t-20)]
•Donde: P20 = Valor corregido P΄= Valor observado
Corrección por temperatura para otras soluciones de sacarosa (azúcares crudos)
•P20 = P΄+ 0.0015 (P΄-80) (t-20)
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Efecto de sustancias ópticamente activas y sales
Diferentes sustancias y sales cambian larotación específica de la sacarosa, lo cualse constituye en fuentes de error en losmétodos de polarización.
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Ecuación básica (Wiklund)
K = 𝐒𝐚𝐜 𝐒𝐚𝐥𝐞𝐬 𝐍𝐨 −𝐒𝐚𝐜
K = 𝐂𝐛
(Δ )
- (Ca + Cb)
Supone: La sacarosa forma con
las sales complejo ópticamente
inactivos, el cual se caracteriza
por una constante K
Con las sales alcalinas la rotación ()
siempre disminuye y por tanto Δ es
negativa, donde las molaridades de sacarosa
y no-sacarosas se designan como: Ca y Cb
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Ejemplos de influencia de sales de sodio y potasio en la rotación específica de la sacarosa
Molaridad
Sal Ca Cb / K
NaOH0.76 0.38 -0.0762 3.85
1.52 1.90 -0.146 9.61
KOH0.76 0.38 -0.0464 7.05
1.52 1.90 -0.122 12.10
K2CO3
0.76 0.38 -0.022 16.1
1.52 1.90 -0.093 17.0
Lactato de
potasio1.52 1.90 -0.366 14.33
Acetato de
potasio1.52 1.90 -0.024 75.7
NaCl y KCl1.52 2.28 (NaCl) -0.059 58.9
1.52 (kCl)
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Efecto de otras no-sacarosas en los valores de la rotación óptica de la sacarosa y determinación del pol
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Ácido Aspártico
Tiene una rotación óptica específica similar a la sacarosa (dextro – rotatoria). Presencia de este amino-ácido y de otros similares elevan los valores de polarización. Origen: natural
Sarkaran (Glucano)
(Polisacárido de la caña quemada dejada en pie)
Rotación óptica específica 20 = + 160°
Origen: Posiblemente de las levadurasD
ISP (Polisacárido nativo)Rotación óptica 20 = -46° a -50°
Origen: Natural en la caña. Depende de la variedad D
Glucano de Robert´sRotación óptica 20 = + 120°
Origen: Natural D
Polisacárido C.P
(Formado principalmente por D-mannosa y D-galactosa)
Rotación óptica 20 = + 97.3°
Origen: Aislado de azúcares crudos de Australia. Un responsable del potencial «Floc» en bebidas no alcohólicas
D
Dextranas (Glucano)
Uniones - (1,4) y - (1,3) de glucosa
Rotación óptica 20 = + 200° ó mayor.
Origen: Microbiano. Producido durante el deterioro de la caña, por Leuconostoc Mesenteroides y L. Dextranicum
D
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Interferencias de los almidones y dextranas en los valores de Pol y ATR
Almidones 100 mg/L incremento
Pol 0.06 (%)
ATR 0.14 kg / t caña
Dextranas 100 mg/L incremento
Pol 0.07 (%)
ATR 0.36 kg / t caña
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La recuperación final de azúcar (ARE) se basa en:
Contenido de sacarosa (Sac % caña, Sc).
Contenido de fibra (Fibra % caña, Fc).
Retención de sacarosa en el bagazo.
Contenido de No – Sacarosa (No-Sac % caña, Nc), la cual causa la formación de mieles y retención de sacarosa en la miel final.
Factores que afectan la determinación de sacarosa o del azúcar recuperable
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Métodos de análisis
Métodos basados en el análisis de jugos primarios (molino,
prensa hidráulica)
Métodos de análisis directo(DAC y prensa hidráulica)
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Proceso general para determinar la calidad de la caña
Caña
Desfibrado
Prensado (Prensa Hidráulica)
Obtención de un jugo primario
Lectura brix del jugo (Bj)
Lectura sacarimétrica (°S ó
°Z)
Tablas de Schmitz
Pol (%) del jugo (Sj)
Muestra de caña desfibrada
Peso y lavado
Fibra % caña(Método directo) (Fc)
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Métodos de análisis que utilizan jugos primarios
Datos: Sj (%), Bj (%)
Cálculo del Rendimiento Teórico (Rt, %)
Rt (%) = (Sj – 0.3 x Bj) x f
Donde f = factor de fábrica para un período usualmente 0.96
f = Rreal
RtRreal =
Peso Azúcar x 100
Peso caña
Rendimiento Fajardo o Ecuación Valle (Colombia)
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Determinación del Pol % caña,
Brix % caña y CCS (Método Australiano)
•Brix % caña (Bc) = Bj x 100 −(Fc+3)
100
•Pol % caña (Sc) = Sj x 100 −(Fc+5)
100
•No – Sac % caña (Nc) = Bc - Sc
CCS = Sc – 0.5 x Nc
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Desventajas del método basado en jugos primarios
El brix, la pureza y la sacarosa del jugo depende del porcentaje de jugo
extraído (presión aplicada)
No se tiene en cuenta el efecto de la fibra y en otros no se determina y se asume un valor constante (promedio)
para un determinado período
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MÉTODO DE PRENSA
Evaluación de la calidad tecnológica de la
caña de azúcar
Fuente: Antonio Carlos Fernandes
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Datos Método Prensa
Sistema Tanimoto
• PBU = Peso de bagazo húmedo (g)
• PBS = Peso de bagazo seco (g)
• BJ = Brix de jugo extraído
• SJ = Pol de jugo extraído
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MÉTODO DIGESTIÓN (DAC)
Evaluación de la calidad tecnológica de la caña de azúcar
Método ICUMSA
Fuente: Antonio Carlos Fernandes
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Prensa o Digestión
Sonda y Caña preparada
Fuente: Antonio Carlos Fernandes
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Comparación de metodologías en la
determinación de sacarosa en caña de
azúcar
EL método Prensa requiere determinar el
factor C para determinar el POL%CAÑA
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Factor C Nicaragua
Pol CAÑA= 0.971 P1 - 0.00107 P2
= 0.971(Pol Jugo) (Jugo absoluto) - 0.00107 (Pol Jugo) (Jugo absoluto) Fibra
= (Pol Jugo) (Jugo absoluto) (0.971 - 0.00107* Fibra) R2= 0.981
Factor C
BRIX CAÑA= 0.972 P1 + 0.00112P2
= 0.972 (Brix Jugo) (Jugo absoluto) + 0.00112 (Brix Jugo) (Jugo absoluto) Fibra
= (Brix Jugo) (Jugo absoluto) (0.972+ 0.00112* Fibra) R2= 0.974
Factor C
Promedio 0.957 0.958
std 0.001 0.001
Pol Caña Brix Caña
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Resultados de un Ingenio Colombiano
Cálculo de sac % caña (Sc)
Sc = Sj x (1-0.01 F) x C
Donde C = 0.9325 – 0.000485 x F
F = Fibra % caña
Sj = Sac % jugo del primer molino
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Resultados de un Ingenio Colombiano(DAC vía seca . Determinación del factor C)
Sc = Sj x (1-0.01 F) x C
Donde C = 1.1409 – 0.0102 x F
C (Promedio) = 0.964
R2 = 0.995
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Aproximación para el cálculo del rendimiento teórico vía el método Sudafricano (Van -
Hengel)
Molino
(remueve fibra)ElaboraciónCaña
Azúcar (cristal)
recuperable (ARE)
Sacarosa
pérdida en
fibra
Sacarosa
pérdida en
mieles
Sacarosa
menosmenos
aS - cF - bN = ARE
Base del análisis directo (DAC)
Donde: S = sac % caña, N = No sac % caña, F = Fibra % caña,
a, b, c = parámetros de fábrica
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Ecuación general para el cálculo del
ARE en el Valle del Cauca
ARE % = S – 0.47 N – 0.044 F
Donde:
S Sacarosa % caña
N No sacarosa % caña
F Fibra % caña
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Pérdidas antes de la cosecha
Pérdidas después del corte y/o cosecha
Pérdidas en fábrica
PÉRDIDAS DE SACAROSA
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Naturaleza de las pérdidas de sacarosa
Químico
13 %
Bioquimico / Inversión
25 %
Microbiológico
62 %
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SAC % FIBRA %
M. EXTRAÑA CAÑA A.R.E % CAÑA
0 14.60 13 17
1 - 0.14 - 0.2 0.5
5 - 0.70 - 1.0 2.5
10 - 1.40 - 2.0 5.0
1 % de materia extraña (mezcla) = 1.5% pérdida ARE
Impacto general de la materia extraña (%)
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Reducciones en SAC % caña y ARE % caña
Material Sac % Caña ARE % Caña
Caña limpia 15.0 13.0
Cogollos 1 (%) - 0.13 - 0.15
Chulquines 1 (%) - 0.05 - 0.07
Hojas (1%) - 0.17 - 0.21
Tierras (1%) - 0.22 - 0.30
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Cinética del deterioro
Lo cual mediante integración se transformaría en la
ecuación: St = So e -kt
d[S]
dtK [S]-
G + F
Sacarosa (S)
G O F
Azúcares reductores
=
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Constantes de hidrólisis (k) y pérdidas de sacarosa por
hora de apilamiento de la caña en el campo
Temperatura 25 – 30 °C.
VARIEDAD K de hidrólisis Disminución en sacarosa
% caña por hora
MZC 74 – 275 0.0014 0.023
CC 85 -92 0.00089 0.014
CC87 – 434 0.0010 0.015
CC 84 – 75 0.0008 0.011
CC 92 – 2804 0.0013 0.020
PROMEDIO VARIAS 0.0010 0.015
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GRACIAS
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