Refinería de azúcar

Orígenes y desarrollo técnico

Las refinerías de azúcar se remontan al Egipto árabe en el siglo XII.^[5] 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:^[6]

1. 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.
2. Granulación: El jarabe se trasladaba a un recipiente donde se agitaba con remos de madera hasta granular.
3. 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:^[7]

• 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.^[6] 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).^[6]

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.^[8]

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.^[9]

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:^[3]

• 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.

3. Decolorización

Después de filtrar los sólidos restantes, el licor de azúcar clarificado se decolora mediante filtración a través de:^[9]

• 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.^[12]

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.^[1]

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.^[3]

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).^[13]

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.^[13]

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.^[13][14]

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,^[17] combinada con cloruros líquidos y aplicada a las superficies de las carreteras, o usarse para tratar la sal esparcida en las carreteras.^[18] La melaza presenta varias ventajas sobre la sal de roca sola:^[17][18]

• 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.