UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA
BALANCE DE MASA EN LA DESTILERÍA NUEVA DE LA EMPRESA C. A. RON SANTA TERESA
Por: Giancarlos J. La Rocca I.
INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Químico
Sartenejas, Junio de 2012
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA
BALANCE DE MASA EN LA DESTILERÍA NUEVA DE LA EMPRESA C. A. RON SANTA TERESA
Por: Giancarlos J. La Rocca I.
Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Prof. Sabrina Di Scipio. Tutor Industrial: Ing. Raúl Morillo.
INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Químico
Sartenejas, Junio de 2012
ACTA FINAL DE PASANTÍA
iiiiii
RESUMEN C. A Ron Santa Teresa (CARST) es una empresa reconocida mundialmente por la producción de ron a partir de la fermentación de melaza. El corazón de la producción se encuentra en la Destilería Nueva de CARST, distribuida en Fermentación, Alambique, Servicios Industriales y Tratamiento de subproductos. Para conocer la capacidad actual instalada y poder determinar los equipos que no contribuirían a un aumento de la producción, surge como objetivo general de este proyecto la realización del balance de materia de las áreas de Fermentación y Alambique que permitiera conocer los flujos másicos de las corrientes principales. Para ello fue necesaria la búsqueda de datos e informaciones de planta en manuales y entrevistas a operadores y supervisores de la Destilería Nueva, así como al maestro ronero de CARST. Adicionalmente, se hicieron constantes visitas a ambas áreas y se registraron medidas experimentales de flujos que permitieron plantear y resolver las ecuaciones del balance de materia. Como resultados principales se obtuvieron los flujos másicos para un escenario ideal o teórico, donde se consideraron las condiciones de diseño de los diferentes equipos y procesos; y un escenario real, apoyado en los flujos actuales presentados en el panel de la Destilería. Todo esto permitió determinar una eficiencia de la Destilería del 75%, distribuida en 94% para Fermentación y 65% para Alambique.
Palabras clave: melaza, fermentación, destilación, etanol.
iv
DEDICATORIA Dedico este proyecto, y con él la culminación de mis estudios en Ingeniería Química, a personas que han caminado conmigo este sendero donde he aprendido y vivido cosas maravillosas: En primer lugar lo dedico a mi familia: Mamá, papá y hermana. A ellos este pedacito en retribución a la persona y profesional que han formado con lágrimas y sonrisas en sus rostros. Éste y todos los logros que pueda conseguir serán siempre de los dos: suyo y mío. A Adriana Gomes por haberme dado tanto en tan poco tiempo. Aunque tratara de explicar lo agradecido que estoy contigo me quedaría corto. Te dedico este logro, con sus pros y contras, para uno más de la lista que compartiremos juntos. Por último, lo dedico a mis hermanos que se pierden tratando de llegar a Auyama Café. A Miguel Núñez, Alejandro Gomes y Jesús Ramírez, esa familia que he elegido y que ahora escribe junto a mí experiencias que recordaremos el resto de la vida. A ustedes este logro y mi amor siempre.
v
AGRADECIMIENTOS Y RECONOCIMIENTOS Quiero agradecer en primer lugar a Dios por el don de la vida y poner en mi camino retos que superar con su ayuda. Con Dios todo, sin Él nada. En segundo lugar a mi familia, que me ha brindado todo el apoyo necesario para salir adelante, a quienes les debo la persona que soy hoy en día. A ustedes, mi gratitud y amor siempre. A mis amigos y compañeros de la USB que me enseñaron el valor agregado de estudiar en una prestigiosa universidad con personas de calidad humana excepcional. En particular quiero dar gracias a esos hermanos de ASEIQ-USB, parte también de mi familia. De manera especial quiero agradecer a la profesora Sabrina Di Scipio por su disposición y voto de confianza al aceptar tutorar este proyecto. Sus consejos y correcciones con mano amiga a través de diferentes materias en la USB me han permitido conocer al gran profesional que es. Finalmente, y no en orden de importancia, al personal de C. A. Ron Santa Teresa que ha brindado las herramientas y apoyo necesario para llevar a cabo este proyecto. De manera especial a Raúl Morillo y Jesús Pereira por preocuparse por la calidad y desempeño de este trabajo; a Oly Calderón y Roscio Oropeza por brindar su mano amiga y compañera en todo momento durante los 5 meses de compartir; a Beatriz Zambrano y Maira Perdomo por su apoyo y paciencia en la Destilería y Laboratorio; a Mariel López por estar siempre pendiente de nuevos avances; y al resto de los supervisores de la Destilería y personal de trabajo de la Gerencia de Ingeniería y Proyectos, por tener la paciencia y la voluntad de compartir conmigo sus conocimientos y experiencias en sus áreas. A todos, gracias miles.
vi
ÍNDICE GENERAL RESUMEN
iv
DEDICATORIA
v
AGRADECIMIENTOS Y RECONOCIMIENTOS
vi
ÍNDICE GENERAL
vii
ÍNDICE DE TABLAS
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
xii
LISTA DE ABREVIATURAS
xiii
INTRODUCCIÓN
1
CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE C. A. RON SANTA TERESA
3
1.1 La empresa
3
1.2 Historia
4
1.3 Estructura organizacional
5
1.4 Filosofía
5
1.5 Inversión comunitaria
5
1.6 Áreas de proceso
6
1.6.1. Fermentación y destilación
7
1.6.2 Procesamiento y añejamiento
7
1.6.3 Envasado
8
1.7 Productos
8
CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
9
2.1 Balance de masa
9
2.1.1 Los principios de conservación
9
2.1.2 Información del balance de masa
10
2.1.3 Balances de masa en sistemas con reacción química
10
vii
2.2 Producción de ron a partir de melaza
11
2.2.1 Melaza
11
2.2.1.1 Obtención de la melaza
11
2.2.1.2 Grados brix
11
2.2.2 Fermentación alcohólica
12
2.2.3 Levadura
13
2.2.4 Etanol o alcohol etílico
13
2.2.4.1 Fuerza real o grado alcohólico
14
2.2.5 Congenéricos
14
2.2.6 Destilación
14
2.2.6.1 Vinaza
15
2.2.6.2 Fúsel
15
2.2.7 Ron
15
CAPÍTULO 3. METODOLOGÍA
16
3.1 Conocimiento del área
16
3.2 Revisión bibliográfica del proceso
16
3.3 Construcción de los diagramas de bloques (DB) y diagramas de flujo de proceso (DFP)
16
3.4 Realización del balance de masa teórico.
17
3.4.1 Obtención de información sobre fermentación y alambique
17
3.4.2 Información obtenida del maestro ronero
17
3.5 Realización del balance de masa real
17
3.5.1 Cálculo de la densidad y transformación de flujo volumétrico a másico
18
3.5.2 Datos reales experimentales
20
3.5.3 Cálculo de la fuerza real con un alcoholímetro
20
CAPÍTULO 4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
22
viii
4.1 Proceso de fermentación
22
4.1.1 Recepción de la melaza
22
4.1.2 Pretratamiento de la melaza
22
4.1.3 Tratamiento y disposición de los lodos
23
4.1.4 Fermentación continua
23
4.1.5 Recuperación de la crema de levadura
24
4.2 Proceso de destilación en alambique
25
4.2.1 Columna de cerveza o destiladora
25
4.2.2 Columna hidroselectora
26
4.2.3 Columna rectificadora
26
4.2.4 Columna concentradora
27
CAPÍTULO 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
28
5.1 Balance de masa teórico
28
5.1.1 Fermentación
29
5.1.1.1 Dilución de melaza
31
5.1.1.2 Esterilización de melaza
32
5.1.1.3 Clarificación de melaza
33
5.1.1.4 Alimentación a las cubas
33
5.1.1.5 Producción de CO2
33
5.1.1.6 Producción de mosto fermentado y recuperación de crema
34
5.1.1.7 Dosificación de H2SO4 y congenéricos
34
5.1.2 Destilación en Alambique
34
5.1.2.1 Dosificación de anti-incrustante y producto químico
37
5.1.2.2 Agua de reposición
38
5.2 Balance de masa real
39 ix
5.2.1 Fermentación
39
5.2.1.1 Dilución y esterilización de la melaza
40
5.2.1.2 Clarificación de la melaza
40
5.2.1.3 Alimentación a las cubas
41
5.2.1.4 Producción de CO2
41
5.2.1.5 Producción de mosto fermentado y recuperación de crema
41
5.2.1.6 Dosificación de H2SO4 y congenéricos
41
5.2.2 Destilación en Alambique
41
5.2.2.1 Dosificación de anti-incrustante y producto químico
44
5.3 Comparación del balance de masa teórico contra el real
44
5.3.1 Fermentación
44
5.3.2 Destilación en alambique
46
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
50
REFERENCIAS
52
APÉNDICE A. DIAGRAMAS DE BLOQUES Y DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESO 54 APÉNDICE B. FLUJOS VOLUMÉTRICOS DEL PÁNEL DE LA DESTILERÍA NUEVA DE CARST
59
APÉNDICE C. CÁLCULO DE LA DENSIDAD DE UN FLUIDO EMPLEANDO UN PICNÓMETRO
60
APÉNDICE D. DATOS MÁSICOS OBTENIDOS PARA HALLAR LAS DENSIDADES DE LAS CORRIENTES DE DESTILERÍA
62
APÉNDICE E. FÓRMULAS DE BALANCE DE MASA TEÓRICO
64
APÉNDICE F. FÓRMULAS DE BALANCE DE MASA REAL
68
APÉNDICE G. PROPAGACIÓN DE ERRORES
72
APÉNDICE H. DATOS BÁSICOS DE LA MELAZA 2010)
(CBT Ingeniería Venezolana S. A., 76
x
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1. Datos del balance de masa teórico y su origen
17
Tabla 3.2. Densidades de las corrientes de fermentación y alambique
19
Tabla 3.3. Datos del balance de masa real y su origen
20
Tabla 5.1. Datos de consumo de melaza y producción de mosto y alcohol etílico de CARST
29
Tabla 5.2. Flujos másicos teóricos de fermentación
29
Tabla 5.3. Datos de la melaza que alimenta al área de fermentación (Laboratorio de Destilería de C. A. Ron Santa Teresa, 2012)
31
Tabla 5.4. Flujos másicos teóricos de alambique
34
Tabla 5.5. Flujos teóricos de extracciones en relación al flujo de alcohol etílico
35
Tabla 5.6. Fuerza real de las corrientes de alambique
36
Tabla 5.7. Dosificación de anti-incrustante a alambique (Laboratorio de Destilería de C. A. Ron Santa Teresa, 2012)
37
Tabla 5.8. Producto químico teórico administrado a alambique en la Hidroselectora (Laboratorio de Destilería de C. A. Ron Santa Teresa, 2012)
38
Tabla 5.9. Flujos másicos reales de fermentación con sus respectivos errores
39
Tabla 5.10. Fuerza real de las mermas en el alambique
42
Tabla 5.11. Flujos másicos reales de alambique con sus respectivos errores
42
Tabla 5.12. Producto químico real administrado a alambique en la Hidroselectora (Laboratorio de Destilería de C. A. Ron Santa Teresa, 2012)
44
Tabla 5.13. Comparación de flujos teóricos y reales en fermentación
44
Tabla 5.14. Comparación de flujos teóricos y reales en fermentación
47
Tabla 5.15. Flujos másicos teóricos y reales de corrientes principales
49
Tabla 5.16. Eficiencia de cada área de proceso y global
49
xi
ÍNDICE DE FIGURAS Fig. 1.1. Estructura organizativa de C. A. Ron Santa Teresa
5
Fig. 1.2. Flujograma de procesamiento y añejamiento (C. A. Ron Santa Teresa, 2009)
7
Fig. 1.3. Productos de C. A. Ron Santa Teresa (C. A. Ron Santa Teresa, 2009)
8
Fig. A.1. Diagrama de bloques de fermentación
55
Fig. A.2. Diagrama de flujo de fermentación
56
Fig. A.3. Diagrama de bloques de alambique
57
Fig. A.4. Diagrama de proceso de alambique
58
xii
LISTA DE ABREVIATURAS CARST: C. A. Ron Santa Teresa. COVENIN: Comisión Venezolana de Normas Industriales. CMS: Concentrado de melaza soluble. DB: Diagrama de bloque. DFP: Diagrama de flujo de proceso. º GL: Grados Gay-Lussac. LAA: Litros de alcohol anhidro.
xiii
1
INTRODUCCIÓN Los balances de materia y energía son cálculos que muy frecuentemente realizan los ingenieros químicos que permiten conocer cada una de las corrientes de un proceso productivo. En el caso de C. A. Ron Santa Teresa (CARST) se ha hecho imperante la necesidad de realizar un nuevo balance de masa que permita conocer y establecer relaciones entre los procesos de Fermentación y Destilación que lleva a cabo la empresa para producir alcohol etílico a partir de melaza de caña de azúcar. A medida que CARST ha ajustado sus diferentes procesos, se ha perdido información importante de diseño que es valioso recuperar. En este sentido, y con miras a un aumento de producción, se plantea la realización de un balance de materia en la Destilería Nueva que pueda comparar el escenario teórico e ideal con los flujos másicos reales con los que se trabaja actualmente. En este caso particular, la importancia del balance de masa radica en conocer la capacidad actual instalada y poder determinar los equipos que no contribuirían a un aumento de la producción, generando argumentos para sustentar los posibles planes de inversión de la empresa. Por todo lo anterior se ha establecido como objetivo general del presente proyecto, la realización del balance de materia de la Destilería Nueva de C. A. Ron Santa Teresa que permita conocer los flujos másicos de las corrientes principales. Para lograr el cumplimiento del objetivo general se han propuesto los siguientes objetivos específicos: -
Realizar un balance de masa teórico y real del área de Fermentación, sin incluir las corrientes de servicios.
-
Realizar un balance de masa teórico y real del área de Destilación de Alambique, sin incluir las corrientes de servicios.
-
Comparar los resultados de los balances teóricos y reales de cada área para determinar una eficiencia global y parcial.
Con la finalidad de facilitar la comprensión del presente trabajo, se ha dividido en cinco capítulos de la siguiente manera: en el primer capítulo se presentará una descripción detallada de la empresa, pasando por su historia, estructura organizacional y productos que ofrece en el mercado venezolano e internacional. El capítulo dos abarcará los fundamentos teóricos
2 necesarios para comprender un balance de materia, así como otros conceptos utilizados en la industria licorera. En el tercer capítulo se desarrolla la metodología seguida en la investigación y ejecución del proyecto, mientras que en el cuarto capítulo se amplía y describe los procesos que se llevan a cabo en la Destilería Nueva, enfocados en el área de Fermentación y Alambique. Finalmente, el último capítulo está dedicado a la presentación y análisis de los flujos y resultados obtenidos.
CAPÍTULO 1 DESCRIPCIÓN DE C. A. RON SANTA TERESA C. A Ron Santa Teresa es una empresa con más de doscientos años de tradición que ha aprovechado la presencia de su marca en la industria licorera para perdurar en el tiempo como una de las favoritas tanto a nivel nacional como internacional. En este capítulo se describe la estructura actual de la empresa y los orígenes de la misma, pasando por su filosofía de trabajo y la gama de productos que ofrece al público.
1.1 La empresa C.A Ron Santa Teresa es una empresa pública inscrita en la Bolsa de Valores de Caracas y regida por la Ley de Mercado de Valores. La Junta Directiva está conformada por once directores, nueve de los cuales son independientes. En Ron Santa Teresa se practican los Principios de Buen Gobierno corporativo que garantizan una gestión eficiente y una comunicación transparente entre los accionistas, la Junta Directiva, la gerencia y los trabajadores. En cumplimiento de los Principios de Buen Gobierno Corporativo, se creó un Comité de Auditoría que supervisa y vela por la transparencia de las operaciones de la compañía y el reflejo de las mismas en los estados financieros. CARST profesa que el éxito de la organización reside en su capacidad de atraer, reclutar y retener al mejor talento disponible y luego desarrollar ese talento tanto en lo profesional como en lo personal. Por eso, existe también un Comité de Talento, que reporta a la Junta Directiva y cuyo propósito es velar por la estrategia de talento de la compañía y su continua mejora. Desde 2009, Ron Santa Teresa se encuentra en el ranking de los mejores sitios para trabajar en Venezuela (C. A. Ron Santa Teresa, 2009). En la Hacienda Santa Teresa es donde se encuentra la destilería de alcohol a base de miel y melaza de caña más tecnificada de América Latina, con una capacidad de producción de dieciocho millones de litros de alcohol al año. En dieciocho bodegas de envejecimiento reposan
4 cien mil barriles y quinientos cuarenta toneles de roble en los que se añejan veinticuatro millones de litros de ron al año (C. A. Ron Santa Teresa, 2009). Los rones, licores y bebidas espirituosas secas de CARST son todos destilados de la caña de azúcar que se cultiva en la Hacienda Santa Teresa y de otras centrales azucareras, para luego ser envejecidos en las bodegas más antiguas del país. Finalmente son mezclados, filtrados y reposados para ser envasados en una moderna planta embotelladora ubicada en el mismo complejo.
1.2 Historia Los orígenes de Ron Santa Teresa se remontan a finales del siglo XVIII cuando Martín de Tovar recibe del Rey Carlos Tercero de España el título de Conde de Tovar y la cédula real de las tierras que hoy conforman la Hacienda Santa Teresa. En 1797 se funda la Hacienda Santa Teresa ubicada en los Valles de Aragua. A principios del siglo XIX se cultivaba añil, café, cacao, trigo y caña de azúcar y en 1810 se instaló el primer alambique para la producción de aguardiente de caña. Desafortunadamente, la guerra de Independencia suscitada en esos años afectó la economía de los valles de Aragua, con lo que gran parte de las tierras fueron destruidas y, en consecuencia, la ruina económica fue inminente. Sin embargo, fue en las tierras de la hacienda en 1818, en plena guerra de Independencia, donde Simón Bolívar hace la proclama de abolición de esclavitud (C. A. Ron Santa Teresa, 2009). En 1830 Gustav Giulius Vollmer contrae matrimonio con Panchita Rivas y Palacios, sobrina de José Félix Rivas y prima de Simón Bolívar, la cual había heredado parte de las tierras de lo que es hoy la Hacienda Santa Teresa. En 1885 Gustavo Julio Vollmer Rivas compra la Hacienda Santa Teresa, comenzando así lo que sería una empresa familiar dedicada a la industria ronera. En 1909 se registra la marca Ron Santa Teresa, primera marca de ron en Venezuela y tercera marca comercial, pero no es hasta 1955 cuando Alberto Vollmer Herrera funda la C. A. Ron Santa Teresa (C. A. Ron Santa Teresa, 2009). En 1978 se instaló la destilería mas tecnificada de Latinoamérica para ese momento, incluyendo una planta de tratamiento de efluentes y una línea de envasado. Desde ese momento el personal
5 de la empresa lo llama “Destilería Nueva”, para diferenciarla de la antigua destilería en funcionamiento. Desde 2003, CARST cuenta con la denominación de origen que permite identificar sus marcas como productos cien por ciento venezolanos, dándole a la empresa un carácter de exportadores y certificando la calidad de sus productos (C. A. Ron Santa Teresa, 2009).
1.3 Estructura organizacional La estructura organizacional se refiere a la forma en que se dividen, agrupan y coordinan las actividades de la empresa en cuanto a las relaciones entre sus diferentes áreas de trabajo. En CARST, como se aprecia en la Figura 1.1, existe una presidencia y seis divisiones que dependen de ésta. A efectos de este proyecto, es de particular interés la Dirección de Operaciones pues de ella dependen a su vez la Gerencia de Mantenimiento, la Gerencia de Ingeniería y la Gerencia de Producción que incluye a la Destilería, encargadas de plantear la problemática, diseñar el proyecto y su posterior ejecución, respectivamente. En este sentido, el proyecto fue inscrito en la Gerencia de Ingeniería, cuyo propósito es determinar las condiciones operativas, optimizar los procesos y hacer uso de nuevas tecnologías que promuevan el aumento de la capacidad productiva de cada uno de los procesos que se llevan a cabo en las instalaciones de Ron Santa Teresa.
1.4 Filosofía La empresa tiene el propósito de construir la categoría de Ron Premium en el mundo con la meta de llegar a una producción de diez millones de cajas estadísticas a nivel mundial. Adicional a esto, presenta en su filosofía cuatro valores que se promueven entre sus trabajadores: la humildad, jugar limpio para ganar, orgullo sobre lo que se hace y la transformación del entorno.
1.5 Inversión comunitaria Desde que en 1796 se fundó la Hacienda Santa Teresa, el desarrollo de El Consejo, actual capital del municipio Revenga, en el Estado Aragua, ha estado vinculado al de la Hacienda y al de Ron Santa Teresa, que es la primera fuente de empleos directos e indirectos del municipio. En 1989, Alberto J. Vollmer crea la Fundación Santa Teresa. A través de la Fundación, la compañía invierte en la comunidad de Revenga, convencida de que su crecimiento rentable y sostenido va de la mano del bienestar y prosperidad de la comunidad. Por ello, todas las
6 iniciativas de inversión comunitaria forman parte del Plan Estratégico de Ron Santa Teresa y se concentran en el municipio Revenga.
Gerente de auditoria
Presidente ejecutivo
Director comercial corporativo
Director de talento y or anización Coordinación de la ofic. de la presidencia
Director de operaciones
Director de mercadeo corporativo Director de asuntos públicos
Director de administración y finanzas
Gerente de producción
Gerente de abastecimiento
Gerente de planificación operativa
Gerente de calidad y desarrollo
Gerente de mantenimiento
Gerente de ingeniería
Figura 1.1. Estructura organizativa de C. A. Ron Santa Teresa
Estas iniciativas incluyen: Proyecto Alcatraz, Consetours, ONG Camino Real, Taller del Constructor Popular y Visión Revenga, el Proyecto “paraguas” que está impulsando la Fundación Santa Teresa para transformar a Revenga en un municipio modelo para Venezuela, por la creciente prosperidad y calidad de vida de sus habitantes (C. A. Ron Santa Teresa, 2009).
1.6 Áreas de proceso Las bebidas alcohólicas elaboradas en CARST pasan por cuatro etapas principales antes de estar listas para la distribución y consumo masivo. Estas áreas de producción son Fermentación, Destilación, Procesamiento y Añejamiento, Envasado y Distribución.
7
1.6.1. Fermentación y destilación En estas dos primeras etapas del proceso productivo, se lleva a cabo la transformación de la materia prima en alcohol etílico y su posterior proceso de separación para remover cualquier otro componente indeseado. La fermentación está conformada por una batería de reactores que funcionan de manera continua y alimentan a un tren de separación conformado por cuatro columnas de destilación. Ambas áreas se presentarán con mayor detalle en el capítulo 4.
1.6.2 Procesamiento y añejamiento Una vez obtenido el alcohol etílico de la Destilación, éste sigue el proceso que se muestra en la Figura 1.2, donde es diluido y colocado en barricas de Roble Blanco Americano dentro de las bodegas de envejecimiento por un período no menor a dos años. Luego de ese tiempo, los barriles de diversas edades son vaciados y mezclados en diferentes proporciones para lograr un blend o mezcla a la que se le agrega agua y otros insumos para obtener la mezcla final. Una vez mezclados los ingredientes, se pasa el líquido por una serie de filtros que, además de remover partículas no solubles y cualquier tipo de impureza, le confieren al producto un acabado brillante y traslúcido. Posteriormente, el líquido pasa por una etapa de reposo refrigerado en la cual se favorece la precipitación de sólidos insolubles en frío para su posterior remoción por una sola filtración. Esta etapa es también muy importante para lograr el marriage o casamiento de los aromas y sabores del líquido, de tal manera que se garantice su homogeneidad y consistencia.
Añ Añejamiento y Procesamiento Dilució Dilución de Alcohol Agua Pozo Guayabal
Alcohol 96%
Agua Desminera.
Otros insumos
Mezclado y Filtració Filtración Filtro
Desmineralizador
Ron 1ra Filtración
Ron mezcla 40 % Alc.
Refrigeració Refrigeración y Filtració Filtración Alcohol Dilución 65°GL
Llenado
Reposo - 2 ºC Filtro de Módulo
Envejecimiento
Equipo Ultra Refrigeración
21 Bodegas de Envejecimiento 100.000 Barriles Tiempo > 2 años Ron 2da Filtración
Vaciado Ron 65%
Filtro de Membrana de microporos
Envasado
Figura 1.2. Flujograma de procesamiento y añejamiento (C. A. Ron Santa Teresa, 2009)
8
1.6.3 Envasado La planta de envasado dispone de cuatro líneas de producción automatizadas y semiautomatizadas. El proceso de envasado se inicia desde el almacén de material de empaque donde están ubicados los equipos y transportadores para la alimentación de las botellas a granel o contenidas en cajas. De acuerdo a la línea de producción varía el proceso de envasado. En el caso de la línea 1, es automatizado y los envases se reciben a granel. Una vez enjuagadas, sopladas, llenadas y tapadas, las botellas son orientadas hacia la etiquetadora donde también se les coloca la banda de garantía según lo establecido en las leyes venezolanas. Posterior a esta etapa, se les imprime un código unitario a las botellas, se embalan en forma automática a través de una encajonadora y finalmente las cajas son selladas. El proceso de envasado para las líneas 2, 3 y 4 es semi-automático, por lo que la alimentación de las botellas es manual; sin embargo, el proceso de funcionamiento es similar a la primera línea de producción.
1.7 Productos Actualmente Santa Teresa produce para el mercado nacional e internacional los rones añejos Bodega Privada, Bicentenario, Santa Teresa 1796, Selecto, Gran Reserva y Santa Teresa Blanco; los licores dulces que mezclan ron con café y naranja llamados Arakú y Orange Rhum, respectivamente; y por último las bebidas espirituosas Carta Roja y Superior. Además de estos productos, para el mercado internacional se dispone también de Claro, desarrollado principalmente para coctelería. En la Figura 1.3 se muestra la presentación de cada uno de los productos, en el orden en que fue mencionado.
Figura 1.3. Productos de C. A. Ron Santa Teresa (C. A. Ron Santa Teresa, 2009)
CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS En este capítulo se definirán dos conjuntos de conocimientos teóricos que serán claves para el proyecto. En primer lugar se tratará el tema de los balances de masa, lo que dará un marco teórico referencial para el desarrollo de la metodología de esta investigación; por otro lado, se desarrollarán los conceptos necesarios para la comprensión de la fermentación de caña de azúcar para producir etanol, pasando por su destilación y otros productos obtenidos en el proceso.
2.1 Balance de masa Los balances de masa se basan en los principios de conservación de la materia y permiten conocer flujos y composiciones de todas las corrientes de un diagrama de flujo, contando con información específica o supuesta sobre el funcionamiento de algunos equipos del proceso.
2.1.1 Los principios de conservación (Reklaitis y Schneider, 1986) La expresión precisa del principio de conservación de la masa se muestra en la ecuación 2.1, donde se ha tomado un sistema de estudio (una porción del universo aislado para su análisis) y se
como su cantidad de materia cuya velocidad relativa es cero con respecto a un punto de referencia seleccionado; como la razón de cambio de masa o acumulación con ha definido
respecto al tiempo en un determinado instante y los subíndices 1 y 0 indican, respectivamente, la entrada y salida de materia desde o hacia el sistema.
La ecuación presentada está desarrollada para el caso general, en el cual ambos lados de la igualdad son funciones que cambian con el tiempo. Si el sistema se encuentra en estado estacionario, es decir, sus propiedades no varían con el tiempo, la razón de cambio o acumulación es igual a cero. Para este caso, la postulación de conservación de masa se reduce a la ecuación
10 2.2, la cual indica que la tasa de materia transferida hacia el interior del sistema deberá ser igual a la que sale del mismo.
2.1.2 Información del balance de masa Un problema de balance de masa pudiera contener los siguientes elementos: el tipo de sistema, con sus entradas y salidas; las variables de las corrientes que describen los flujos; el sistema de ecuaciones del balance de materia, de las cuales son independientes no más de S ecuaciones, siendo S el número total de componentes diferentes que aparecen en las corrientes; y, por último, la base de cálculo seleccionada. Adicional a esto, se podrían conocer también algunas especificaciones que se imponen sobre el sistema que permitirán reducir el número de variables desconocidas. Estas especificaciones a menudo suelen consistir de la asignación directa de valores a las variables de las corrientes o imposición de relaciones entre esas variables.
2.1.3 Balances de masa en sistemas con reacción química Estos sistemas son un caso particular donde se seguirá aplicando el principio de conservación de la materia que entra y sale de los límites del sistema de estudio. En este caso resultan válidos los balances de materia por componentes ya que con la reacción química ocurre un proceso de reordenamiento de los átomos y moléculas que formarán compuestos moleculares diferentes. En otras palabras, debe tomarse en cuenta la tasa de reacción (sea aparición o desaparición) de los
diferentes compuestos que forman parte de la reacción química, denominado en la ecuación 2.3 cuyo signo será positivo para compuestos que se producen y negativo para aquellos que se consumen. Además, el subíndice i indica que se trata de un compuesto en particular y no de un balance de masa global.
11
2.2 Producción de ron a partir de melaza A continuación se definirán los conceptos teóricos básicos para la comprensión del proceso de fermentación de melaza para obtener alcohol etílico, pasando por los diversos subproductos que se obtienen tanto en la fermentación como en su destilación posterior.
2.2.1 Melaza La melaza es un residuo líquido de la elaboración del azúcar de caña de color rojo oscuro y viscoso; aunque rica en azúcar (de 50 a 60% en peso), no se utiliza para producirla porque no es cristalizable. La composición de la melaza suele variar, dependiendo del productor, las condiciones de la caña de azúcar y de su cosecha, entre otros factores. Sin embargo, en términos generales en peso, la melaza contiene entre 35 y 40% de sacarosa, de 15 a 20% de glucosa y fructosa y entre 28 y 35% de sólidos que no son azúcar (Gupta y Demirbas, 2010). No todos los azúcares que posee la melaza son fermentables, por lo que se realizan pruebas de laboratorio para conocer su porcentaje de azúcar total, fermentable y no fermentable, lo que permite tener una idea sobre cómo será el rendimiento del proceso de fermentación en el cual se vaya a emplear la melaza.
2.2.1.1 Obtención de la melaza Después de cosechada, la caña de azúcar es transportada a las centrales azucareras donde es lavada, cortada y triturada. La caña lista es alimentada a un extractor de jugos que produce un líquido que contiene entre 10 y 15% de sacarosa y residuos sólidos (bagazo). Este jugo es posteriormente filtrado, tratado con químicos y pasteurizado para remover el agua por evaporación y obtener así un sirope. La sacarosa es precipitada del sirope por un proceso de cristalización que produce cristales limpios en suspensión y melaza. Una centrifugadora se encarga de separar los cristales de la melaza donde luego los primeros son lavados con vapor y secados con aire; mientras que la melaza es enviada para la fermentación de alcohol (United Molasses Company, 1986).
2.2.1.2 Grados brix Para medir la cantidad de sólidos solubles presentes en alguna sustancia se emplean los grados brix (º bx). En la industria de alimentos y bebidas, esos sólidos solubles suelen ser en su mayoría sacarosa, por lo que los º bx indican la cantidad de azúcar presente en algún producto como la melaza, vinaza, entre otros. No obstante, pueden existir también lodos u otros sólidos disueltos en
12 la solución, como se observa en la ecuación 2.4. Para obtener los grados brix de manera experimental se puede emplear un refractómetro o brixómetro (Universidad Nacional de Colombia).
2.2.2 Fermentación alcohólica La fermentación alcohólica es un proceso bioquímico anaeróbico en el que se realiza una transformación de la materia prima por la acción de las células de levadura, las cuales se encargan de producir la maquinaria enzimática para tal transformación. Esta reacción química, presentada en la ecuación 2.5, involucra un proceso exotérmico de liberación de energía y producción de calor que permite la transformación de los azúcares fermentables, contenidos en la melaza, en alcohol etílico, dióxido de carbono y otros compuestos denominados congenéricos, que resultan de los diferentes ciclos metabólicos que operan en la levadura.
La fermentación de melaza es el resultado de la acción de la levadura que comienza por invertir la sacarosa en glucosa y fructosa. La mezcla de glucosa y fructosa se llama azúcar invertido y constituye la mayor parte de los azúcares contenidos en la melaza. El rendimiento teórico de un gramo de azúcar invertido (0,95 gramos de sacarosa) es de 0,511 gramos de alcohol absoluto y 0,489 gramos de dióxido de carbono (Spencer y Meade, 1967). La fermentación alcohólica se lleva a cabo en procesos por cargas o continuos. En los procesos de fermentación continua con recirculación de levadura, se debe proporcionar aireación controlada para garantizar la reproducción de las células sin comprometer el metabolismo de la producción de alcohol etílico.
13
2.2.3 Levadura La levadura está compuesta por hongos microscópicos y unicelulares que se emplean por la capacidad que tienen para transformar o descomponer moléculas por la acción de la fermentación. Su reproducción puede ser vegetativa o sexual; en el primer caso se realiza mediante gemación (una división desigual promovida por protuberancias en la pared celular del progenitor que al crecer y desarrollarse dan paso a un nuevo organismo) y fisión; mientras que su reproducción sexual ocurre cuando dos organismos se funden para formar uno solo más grande que la célula normal (Aveledo, 1987). En particular, la levadura de cerveza o Saccharamyces Cerevisae es un tipo de levadura que se emplea industrialmente para la producción de pan, cerveza, vino y otras bebidas alcohólicas. Es importante mantener un sustrato rico en nutrientes pues la levadura pudiera emplear otra ruta metabólica que le permitiera obtener un mayor rendimiento energético y, por lo tanto, no realizaría la fermentación. Su cuerpo tiene forma elipsoidal y está desprovista de cilios u otros órganos de locomoción, lo que permite su separación del mosto fermentado por sedimentación o por medio de una centrífuga. Bajo condiciones aeróbicas, organismos facultativos (aquellos que pueden vivir bajo condiciones aeróbicas o anaeróbicas) cambian su metabolismo para ajustarse a esas condiciones. Los cambios implican activación de enzimas reprimidas al igual que la síntesis de nuevas macromoléculas. A concentraciones mayores de 3% p/v de glucosa, el metabolismo aeróbico de Saccharamyces Cerevisae está completamente reprimido, pero al bajar la concentración de
azúcar el efecto se va modulando hasta desaparecer, haciendo que la levadura utilice el etanol producido durante la fermentación para oxidarlo y obtener ácido acético primero y luego CO2. Por su parte, el etanol producido en la degradación de la glucosa afecta a la levadura por lo que se deben mantener niveles moderados de alcohol. Para el caso de la levadura de cerveza, a concentraciones de alcohol etílico mayores de 12% p/v se observa que el crecimiento celular se detiene pero se puede seguir fermentando a un 25% de su capacidad (Aveledo, 1987).
2.2.4 Etanol o alcohol etílico El etanol o alcohol etílico es un compuesto químico que, a condiciones estándares de presión y temperatura, se presenta como un líquido volátil incoloro e inflamable con punto de ebullición de 78,4º C y densidad de 0,79 g/cm3 (Gupta y Demirbas, 2010), capaz de formar una mezcla
14 azeotrópica con agua al 96% en peso. Su fórmula química es CH3-CH2-OH (C2H6O) y gracias a que puede ser potable bajo ciertas condiciones, ha ganado un puesto importante en las bebidas alcohólicas, además de sus usos en la industria farmacéutica, cosmética, de pinturas y también como combustible, por mencionar algunos. En CARST la producción diaria de etanol se encuentra cercana a los 30000 litros por día. Debido a que el alcohol etílico se encuentra a un 96% de concentración, es necesario especificar que esta producción es de alcohol anhidro, es decir, sin presencia de agua. En este sentido, en la Destilería Nueva de la empresa se habla de 30000 litros de alcohol anhidro por día (LAA/día).
2.2.4.1 Fuerza real o grado alcohólico Los grados alcohólicos (º GL) son utilizados en bebidas para indicar la cantidad de etanol presente en una sustancia en términos de volumen, es decir, son una medida de concentración porcentual en volumen del alcohol etílico. Mientras que en Europa se refiere como % Vol., en América Latina se emplea º GL en honor a Joseph Gay-Lussac por sus trabajos sobre la mezcla binaria etanol-agua.
2.2.5 Congenéricos En la Norma Venezolana COVENIN 3370:1998 se definen los congenéricos como compuestos químicos obtenidos en las diferentes etapas de elaboración de bebidas alcohólicas a partir de las materias primas y que determinan las propiedades organolépticas específicas del producto. Es la sumatoria de los alcoholes superiores, ésteres, ácidos y aldehídos (Fondonorma, 1998). Los congenéricos están constituidos por lo que en la industria licorera se conocen como “colas” y “cabezas”: compuestos cuya volatilidad se encuentra por debajo y por encima de la del etanol,
respectivamente.
2.2.6 Destilación Por medio del proceso de destilación se separan los componentes de una mezcla líquida, mediante vaporización y condensación. Básicamente se pueden separar los diferentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada componente. Esta destilación puede ser: fraccionaria de multicomponentes, donde se separan los componentes líquidos de punto de ebullición cercano utilizando para ello diferentes platos o rellenos dentro de la columna de destilación, que permiten un mayor contacto entre los vapores que ascienden (ceden calor y se hacen más ricos en el componente más volátil)
15 con el líquido condensado que desciende (recibe calor y se hace más rico en los componentes más pesados); y extractiva, donde se agrega otra corriente para mejorar la separación.
2.2.6.1 Vinaza La vinaza es el subproducto o residuo industrial líquido que se obtiene de la destilación del mosto en la fermentación de melaza para obtener etanol. Es rica en materia orgánica, potasio (K), azufre (S), magnesio (Mg), nitrógeno (N) y calcio (Ca); sin embargo, esta composición es variable según la materia prima de la que se obtuvo. Se estima que por una tonelada de caña destinada para la producción de azúcar se obtienen alrededor de 45 kg de melaza que pueden producir 12 L de alcohol y cerca de 156 L de vinaza (Filho, 1991) según el contenido de sólidos totales dando así una relación entre alcohol y vinaza de 1 a 13. Este residuo posee una demanda química de oxígeno alta (entre 60 y 70 g/L), por lo que es un gran contaminante de las fuentes de agua y su disposición ha de ser muy cuidadosa (Gómez, 1996).
2.2.6.2 Fúsel También llamado “aceite de fúsel”, es una mezcla de alcoholes (propanol, butanol y alcohol amílico), ácidos orgánicos, aldehídos, y ésteres producidos durante el proceso de fermentación en lugar del alcohol etílico. Por cada tonelada de etanol producido se puede obtener 0,00125 toneladas de fúsel (Red Interinstitucional de Tecnologías Limpias, 2004).
2.2.7 Ron El ron se define como toda bebida elaborada a partir de la dilución de alcohol obtenido de la destilación de los mostos fermentados de la caña de azúcar y sus derivados, envejecidos en barricas de roble, de tal forma que al final posea el gusto, aroma, madurez y sabor que le son característicos (Fondonorma, 1998). Según la norma venezolana regida por la Comisión Venezolana de Normas Industriales (COVENIN), el ron debe pasar por un proceso de añejamiento no menor a dos años.
CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA En este capítulo se procederá a describir en detalle la metodología utilizada, así como los equipos y materiales empleados durante el desarrollo de este proyecto en C. A. Ron Santa Teresa. Todo este procedimiento experimental permitió obtener los resultados que se presentarán en capítulos posteriores.
3.1 Conocimiento del área En primer lugar fue necesario un conocimiento exhaustivo de la Destilería, específicamente del área de Fermentación y Alambique. En este sentido, se realizó un recorrido por planta donde se identificaron los diferentes equipos y líneas de proceso. Adicional a esto, se conversó con diferentes supervisores y operadores de cada área para conocer en detalle las condiciones de operación, así como cualquier otro dato importante que permitiera familiarizarse con el proceso productivo.
3.2 Revisión bibliográfica del proceso Durante todo el desarrollo del proyecto se contó con una fuente bibliográfica que permitiera consultar dudas o validar datos que se encontraban en planta. De esta manera se revisó la biblioteca de Destilería así como datos encontrados en su laboratorio sobre registros de estudios o pruebas realizadas a la materia prima y producto deseado. Además de la revisión bibliográfica, se llevaron a cabo reuniones con el jefe de Destilería y el maestro ronero de CARST, quienes dieron toda su disposición para ampliar las explicaciones del proceso de fermentación y destilación.
3.3 Construcción de los diagramas de bloques (DB) y diagramas de flujo de proceso (DFP) Una vez conocido y familiarizado con el proceso que lleva a cabo la Destilería, fue posible realizar los DB y DFP de cada una de las áreas de estudio. En ellos se especificó cada uno de los
17 equipos así como líneas de producción. Los respectivos diagramas de Fermentación y Alambique pueden encontrarse en el Apéndice A.
3.4 Realización del balance de masa teórico. Antes de poder realizar el balance de materia teórico fue necesario definir y reunir información de diseño del proceso.
3.4.1 Obtención de información sobre fermentación y alambique En la búsqueda de condiciones de operación de diseño fue clave el papel que jugó el documento “Bases para la fermentación continua con recirculación de levadura” realizado por C. A. Ron Santa Teresa cuando se inauguró la Destilería Nueva en la empresa. Con este documento fue posible conocer los porcentajes de alimentación de melaza a cada cuba, así como la cantidad de levadura a dosificar. Por otra parte, también se accedió a los datos de trabajo de los supervisores de Destilería para varios años de registro. Estos datos fueron compilados y se extrajeron los que serían necesarios para los balances. Además se encontraron otros documentos que establecían estudios sobre la cantidad de nutrientes que deben agregarse a la fermentación, datos sobre el anti-incrustante y producto químico.
3.4.2 Información obtenida del maestro ronero Debido a que existía una escasez de información en las condiciones y bases de diseño, se hizo imperante la necesidad de hallar los datos teóricos que rigen la Destilería. Finalmente el maestro ronero fue capaz de aportar información clave faltante como lo eran los flujos de congenéricos y extracciones de Alambique, así como el agua de reposición. Una vez dispuestos todos los datos necesarios, se realizó el balance de materia con las condiciones teóricas de operación. En la Tabla 3.1 se muestran todos los datos reales necesarios y de dónde se obtuvieron. Las corrientes que no se muestran en esta tabla fueron halladas con las ecuaciones de balance de masa.
3.5 Realización del balance de masa real Para la realización del balance de materia real se tomaron como entrada a las ecuaciones los datos leídos en el panel de la Destilería. Estos flujos volumétricos se encuentran en el Apéndice B y posteriormente se transformaron en flujos másicos.
18 Tabla 3.1. Datos del balance de masa teórico y su origen Corriente
Origen del dato teórico
Alimentación de melaza a cubas
Documento: Bases de la Fermentación, CARST
Agua para dilución de melaza
Balance de masa
Vapor para esterilizar la melaza
Balance de masa
Alimentación de nutrientes
Documento: Factibilidad de emplear nuevos nutrientes en CARST, Ortega J.
Alimentación de crema a cuba 1
Documento: Bases de la Fermentación, CARST
H2SO4 en tanque de crema
Data teórica de Laboratorio de Destilería
Alimentación vino de fermentación
Balance de masa
Extracciones de alambique
Información suministrada por el maestro ronero
Anti-incrustante
Data teórica de laboratorio de Destilería
Producto químico
Data teórica de laboratorio de Destilería
Agua de reposición
Información suministrada por el maestro ronero
Producto final
Base de cálculo según data de Destilería
3.5.1 Cálculo de la densidad y transformación de flujo volumétrico a másico Con la ayuda de un picnómetro y el ensayo que se encuentra en el Apéndice C, se determinó la densidad de cada una de las corrientes de la Destilería. Para ello se tomaron por triplicado muestras de las corrientes y se promedió su masa. Todos los valores obtenidos en el Laboratorio de Destilería se presentan en el Apéndice D, mientras que las densidades halladas se muestran en la Tabla 3.2 con sus respectivos errores.
19 Tabla 3.2. Densidades de las corrientes de Fermentación y Alambique Corriente
Densidad (kg/L)
Error (kg/L)
Crema entrada tanque dilución
1,02
0,01
Crema salida tanque dilución
1,01
0,01
Crema de levadura
1,01
0,01
Melaza diluida, esterilizada y clarificada
1,16
0,02
Reflujo de la Destiladora
0,82
0,03
Vino a alambique
1,01
0,05
Cabezas de la Destiladora
0,81
0,03
Aguardiente
0,87
0,08
Flemazas a la Hidroselectora
1,00
0,01
Aguardiente diluido
0,97
0,01
Reflujo de la Concentradora
0,80
0,02
Alcohol de Concentradora a Hidroselectora
0,81
0,02
Cabezas de la Concentradora
0,81
0,06
Ésteres de la Concentradora
0,9
0,1
Cabezas de la Rectificadora
0,80
0,02
Fúsel de la Rectificadora
0,88
0,08
Ésteres de la Rectificadora
0,82
0,04
Producto final
0,81
0,02
Vinaza
1,02
0,06
Fúsel de la Concentradora
0,9
0,1
20
3.5.2 Datos reales experimentales Por su parte, hubo datos necesarios para el balance de materia que no estaban registrados en planta, por lo que hubo que medirlos experimentalmente. Tal fue el caso de las flemazas de la columna Concentradora, la crema de levadura y su agua de dilución. Para estas mediciones se registró el caudal volumétrico en función del tiempo y posteriormente, conociendo su densidad, se halló su caudal másico. Además los flujos reales de anti-incrustante y producto químico fueron tomados de los valores empleados por los operadores de Destilería, según el registro llevado de dosificación de estas corrientes.
3.5.3 Cálculo de la fuerza real con un alcoholímetro En el laboratorio de Destilería se tomaron muestras de todas las salidas y entradas a la Destilación en Alambique y, con ayuda de un alcoholímetro, se halló la graduación alcohólica de cada corriente. Este dato sería esencial en los balances de masa de alcohol que se presentan en el Apéndice E. En la Tabla 3.3 se resume de dónde se han obtenido los datos y corrientes reales necesarios para la realización realización del balance de materia. Aquellas corrientes que no no estén en esta tabla fueron halladas con las ecuaciones del balance de masa. Tabla 3.3. Datos del balance de masa real y su origen Corriente
Origen del dato real
Alimentación de melaza
Dato de panel de Destilería
Agua para dilución de melaza
Balance de masa
Vapor para esterilizar la melaza
Balance de masa
Alimentación de nutrientes a cuba 1 Alimentación de crema a cuba 1
Documento: Factibilidad de emplear nuevos nutrientes en CARST, Ortega J. Dato de panel de Destilería
21 Tabla 3.3. Datos del balance de masa real y su origen (continuación) Corriente
Origen del dato real
H2SO4 en tanque de crema
Datos reales de Laboratorio de Destilería
Alimentación vino de fermentación
Balance de masa
Extracciones de alambique
Dato de panel de Destilería
Anti-incrustante
Datos reales de laboratorio de Destilería
Producto químico
Datos reales de laboratorio de Destilería
Flemazas de la Concentradora
Dato experimental
Agua de reposición
Información suministrada por el maestro ronero
Producto final
Dato de panel de Destilería
CAPÍTULO 4 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO La Destilería Nueva de C. A. Ron Santa Teresa está compuesta por cuatro áreas de trabajo: Fermentación, Destilación en Alambique, Concentrador de Vinaza (tratamiento de subproducto) y Servicios. Debido al enfoque de este proyecto, se hace especial énfasis en las dos primeras áreas, dejando fuera de alcance cualquier tratamiento de subproductos o servicios necesarios para el funcionamiento idóneo del proceso productivo. En este sentido, se procede a explicar en detalle el proceso de producción en la Fermentación y Destilación en Alambique.
4.1 Proceso de fermentación En CARST la materia prima empleada es melaza y levadura comercial del tipo Saccharamyces Cerevisae. El proceso de fermentación se lleva a cabo de manera continua ya que presenta mayor
eficiencia con respecto al proceso por cargas o Batch (de 89 a 95% contra 80 a 84%), facilidad de operación y ahorro en el espacio y consumo de agua (Senthilkumar y Gunasekaran, 2009). Además de ser continuo, presenta recirculación y recuperación de las células de levadura en una batería de reacción de cinco etapas con co n un tiempo de residencia promedio de 14 horas.
4.1.1 Recepción de la melaza La melaza llega entre 75 y 80º bx en gándolas provenientes de diversos centrales azucareros y la descarga se realiza en fosas hacia los tanques T-101, T-102, T-606, T-607 y T-608, una vez cumplidos los requerimientos legales, administrativos y de calidad. Posteriormente, la melaza es bombeada hasta el tanque R-201 y, antes de empezar con el proceso de fermentación, se debe adecuar para que tenga las características necesarias para su transformación y el máximo aprovechamiento de los azúcares fermentables.
4.1.2 Pretratamiento de la melaza Esta etapa consiste en someter la melaza a un proceso continuo de dilución, esterilización y clarificación: la dilución se realiza en la tubería y se emplea agua o vinaza caliente (almacenada
23 en el tanque R-202), según sea el caso, para bajar la densidad de la melaza hasta 37-39º bx, logrando la dilución de azúcares en estado sólido (lo que desdobla la sacarosa en sus monosacáridos glucosa y fructosa), disminución de la presión osmótica y pre-calentamiento de la misma; posterior a esto, la melaza diluida pasa al E-205 o E-208 donde se esteriliza gracias a contacto directo con vapor entre 80 y 85º C para eliminar la presencia de bacterias y prevenir así la formación de agentes contaminantes que puedan afectar la viabilidad de la levadura y características del producto final. Una vez diluida y esterilizada, la melaza se envía a los tanques pulmón R-209 y R-210 para alimentar a las clarificadoras C-201 y C-202 donde, mediante una separación mecánica de sólidos por centrifugación, se remueven los sedimentos y arenilla (llamados lodos), que puedan inhibir la fermentación y generar o promover incrustaciones en tuberías y equipos. A esta altura del proceso se tienen entonces dos líneas de producción: la melaza diluida, diluida, esterilizada y clarificada por un lado, y los lodos por otro (C. A. Ron Ron Santa Teresa, 2000).
4.1.3 Tratamiento y disposición de los lodos En promedio, y dependiendo de los porcentajes de lodos y los volúmenes de producción, cada ocho minutos las clarificadoras desenlodan con agua y se envía al tanque R-208 de donde se alimenta la decantadora. Esta decantadora permite separar el agua rica en azúcares fermentables que se había perdido con el lodo y de allí se envía al tanque R-202 para usarse en la dilución de melaza. El lodo remanente, pobre en azúcares fermentables, es empleado aguas abajo para procesos de compostaje de tierras.
4.1.4 Fermentación continua Una vez finalizado el pretratamiento, la melaza diluida, esterilizada y clarificada es enviada al tanque R-220 y se encuentra lista para ser alimentada a los tres primeros reactores o cubas de fermentación, no sin antes pasar por el intercambiador de placas I-202 para bajar su temperatura a 32º C y de esta manera no perjudicar la viabilidad de la levadura. En las tres primeras cubas (E-216, E-217 y E-218) se obtiene la mayor conversión de los azúcares en etanol, mientras que en las dos cubas restantes (E-219 y E-220) se lleva a cabo, principalmente, el agotamiento o estabilización estabilización de la reacción. La melaza se alimenta en las cubas 1, 2 y 3 y se dosifica la crema de levadura únicamente a la primera cuba. Adicional a esto, se debe proporcionar aireación y nutrientes como mecanismo de control de la reacción: estos últimos son ricos en fosfato y urea, necesarios para el sustento de la levadura; mientras que el aire
24 no solo se emplea para agitación de la mezcla (ahora llamada “mosto fermentado”), sino que permite la reproducción de las células. El proceso de fermentación al producir CO2 crea una tensión superficial que genera espuma. Para combatirla se suministra a las cubas un producto químico antiespumante que ha sido previamente aprobado por calidad. Por su parte, el CO2 producido pudiera llevarse consigo alcohol, por lo que es atrapado en el tope de las cubas y llevado a la columna de absorción E-223. Gracias a un relleno de plástico, una corriente de agua arrastra de la corriente de gas cualquier alcohol residual que será bombeado al tanque de crema de levadura E-213, mientras que el CO2 se libera a la atmósfera (C. A. Ron Santa Teresa, 2000) Además de dióxido de carbono, en la reacción de fermentación se libera energía en forma de calor que pudiera afectar el rendimiento de las células de levadura. Para poder obtener control sobre este parámetro se dispone de una serie de intercambiadores de calor de placas (I-204, I-205, I-206 e I-207) en la salida de cada cuba para mantener una temperatura no superior a los 32º C antes de ingresar a la cuba siguiente gracias a la acción de la recirculación.
4.1.5 Recuperación de la crema de levadura Una vez el mosto ha pasado por las cinco cubas de reacción y antes de ser enviado al tanque de vino (E-206) debe pasar por un proceso para recuperar la crema de levadura que contiene. Para ello, se emplean las separadoras C-210 A/B que, mediante centrifugación, retiran la levadura y la envían al tanque R-214 A/B donde se diluye con agua (a partir de este punto la levadura es conocida simplemente como “crema” debido a su apariencia física). Finalmente la crema se bombea al tanque E-213 donde se adecua la acidez ac idez para que pueda pu eda ser alimentada nuevamente a la primera cuba. El mosto fermentado y libre de levadura (llamado ahora “vino”, con entre 8 y 12º GL aproximadamente) se envía al tanque E-206, listo para alimentar alimentar el tren de separación separación o alambique. La recirculación de crema se realiza de manera continua durante todo el ciclo de levadura, el cual está determinado por la viabilidad, su población celular, la calidad de los alcoholes obtenidos, la acidez, las características de la la espuma y otros factores factores que pudieran influir. influir. Una vez finalizado el tiempo útil o ciclo de levadura (con duración de ocho a doce semanas en promedio) se debe hacer la preparación del pre-fermentador pre- fermentador o semillero en el tanque E-212, el cual es un sistema de inoculación de las células de levadura para adaptarlas al sistema de trabajo y promover su reproducción aeróbica. Este semillero es alimentado al sistema de fermentación
25 una vez se han alcanzado los parámetros óptimos para inocular; en este sentido, la temperatura, grados brix y acidez deben estar dentro de los rangos permisivos para poder dar inicio al proceso de alimentación de crema a la batería de reacción.
4.2 Proceso de destilación en alambique El alcohol producido en la fermentación debe ser destilado para separar cualquier otro producto que se pudiera haber generado, además de concentrar el etanol a un 96%. El tren de separación o alambique de CARST se compone de cuatro columnas de destilación: columna de Cerveza o Destiladora (E-301), Hidroselectora (E-302), Concentradora (E-303) y Rectificadora (E-304), respectivamente; controladas desde un panel analógico de instrumentación. Todas las columnas, salvo la primera, están compuestas de platos tipo campana y trabajan con vapor saturado alimentado a una calandria que hace las veces de rehervidor. Por su parte, todos los condensadores que se encuentran en alambique son del tipo tubo y carcaza pues, a pesar de no ser los más eficientes en cuanto a espacio físico, permiten tener tuberías de cobre que ayudan a remover los mercaptanos o tioles (compuestos que contienen un grupo funcional -SH) de las corrientes de alcohol y así eliminar características organolépticas indeseadas (Riis, 2006).
4.2.1 Columna de cerveza o destiladora En esta primera columna se separan los sólidos disueltos provenientes de la fermentación que no pueden continuar a la siguiente etapa de la destilación. Para ello se utilizan dieciocho y cinco platos perforados (por la presencia de sólidos), separados por un relleno de cobre que remueve mercaptanos. A la corriente de entrada proveniente del rehervidor y a la salida del tanque de vino (antes de alimentar la columna) se le adiciona anti-incrustante para evitar taponamientos en el equipo. Previo a alimentar la columna de cerveza, el vino pasa por el intercambiador de tubo y carcaza I-302 donde se precalienta con los vapores que salen del tope de la columna. Estos vapores pasan por otros dos intercambiadores (I-303 e I-304) para condensarlos y formar la corriente de reflujo de la Destiladora. Adicional a esto, una fracción de estos condensados de tope (cabezas) se une a congenéricos provenientes de las próximas columnas que alimentarán la Concentradora. Por el fondo de la columna se obtiene vinaza entre 5 y 10º bx; y cercano al tope de la columna se obtiene una mezcla hidroalcohólica llamada “aguardiente” que es enviada al tanque R-305.
26 Este aguardiente presenta una gama de alcoholes y congenéricos con una fuerza real entre 75 y 78º GL. La vinaza es usada como fertilizante en el riego de los tablones de caña y también se procesa en el concentrador de vinaza que dispone CARST, el cual funciona con un turbocompresor en donde el agua es separada por evaporación al vacío, originándose un líquido espeso denominado concentrado de melaza soluble (CMS) que puede ser usado como alimento de ganado y en otras diversas industrias.
4.2.2 Columna hidroselectora El aguardiente se alimenta ahora a la columna Hidroselectora (de 48 platos) donde, para optimizar la separación de los congenéricos y así obtener un alcohol más puro, se diluye hasta obtener una fuerza real entre 20 y 25º GL. El agua de dilución lo constituyen las “flemazas” del fondo de la columna Rectificadora con un contenido alcohólico nulo. El aguardiente diluido es enviado al tanque presurizado R-306 de donde se alimentará a la columna Rectificadora; mientras que los vapores de tope son enviados directamente al fondo de la Concentradora como si se tratase de una sola columna continua. En el diseño de planta esta idea fue concebida así, pero por estabilidad de la torre en cuanto a altura se decidió trabajar con dos columnas separadas. Adicionalmente, se dispone de un proceso automatizado que envía alcohol etílico desde la Concentradora a la Hidroselectora. Al concentrarse el alcohol en la E-303 disminuye su temperatura, lo que acciona una válvula que permite el paso del etanol a la Hidroselectora, aumentando nuevamente su temperatura.
4.2.3 Columna rectificadora A la columna E-304 (de 70 platos) se alimenta el aguardiente diluido y se tienen como salidas laterales, a parte del producto final, congenéricos como fúsel y ésteres que se envían a la Concentradora. Por el tope se envían los vapores a dos condensadores (I-310 e I-311) para alimentar la corriente de reflujo, mientras que los incondensables (cabezas) van a la columna E-303. Por el fondo se extraen las flemazas que irán a la columna Hidroselectora junto con agua de reposición que entra a la columna.
27 El producto final sale cerca del tope como un vapor alcohólico que es enviado al condensador I312 y almacenado en los tanques R-317, R-318, R3-19 o R-320 (uno por supervisor de turno) donde se toman muestras para realizar las pruebas de calidad pertinentes. En caso de cumplir los estándares de calidad, el alcohol etílico es enviado a los tanques T-603, T-604 y T-605; en caso contrario, se reingresa al alambique para su redestilación.
4.2.4 Columna concentradora A la columna Concentradora de 60 platos se le alimenta de las extracciones de tope (cabezas), fúsel y ésteres de la columna Rectificadora y la extracción de tope (cabezas) de la columna de Cerveza, con la finalidad de recuperar el alcohol etílico que pudieran contener estas corrientes, el cual se envía a la columna Hidroselectora. Adicionalmente, la columna Concentradora posee un separador interno de fúsel que permite extraer por completo este componente y almacenarlo en el tanque R-307 para que, aguas abajo, pueda ser reprocesado y recuperar así su contenido alcohólico. Por otra parte, la extracción que corresponde a los ésteres junto con una fracción de la extracción de tope (cabezas) de la columna Concentradora son almacenadas en el tanque R-321. Estos congenéricos son realimentados al sistema en el tanque de vino E-206 o al tanque de aguardiente R-305 para lograr la recuperación de trazas de etanol presente en la mezcla. En resumen, cada columna es esencial al cumplir roles específicos dentro del tren de separación: la Destiladora permite separar la vinaza del resto del vino que se alimenta a Alambique; la Hidroselectora ayuda a diluir el aguardiente para facilitar así la separación del etanol de otros congenéricos; la Rectificadora se encarga propiamente de separar el etanol de cualquier otro producto y, finalmente, la Concentradora acumula y concentra todos los congenéricos para poder extraer trazas de alcohol etílico en ellos, además de separar el fúsel que será empleado aguas abajo en otro proceso productivo de CARST.
CAPÍTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para el balance de masa global se han considerado todas las materias primas e insumos necesarios para la producción y se han identificado las corrientes de salida del proceso, ya sean éstas de producto principal, subproductos o corrientes residuales generadas. Así, aplicando el principio de conservación de la materia para un sistema estacionario, se tiene la ecuación 5.1
se refieren a los flujos de melaza, agua, crema de levadura, nutrientes, H SO y antiespumante; mientras que las son representadas por los flujos de alcohol donde las 2
4
etílico a 96,4° GL, agua, vinaza, lodos, CO2, fúsel de la Concentradora y congenéricos (conformados por cabezas y ésteres de la Concentradora).
Los resultados se presentarán para dos escenarios: el teórico y el real. Para el primero se ha supuesto que se trabaja con una eficiencia total, logrando que los equipos y operaciones que se realizan sean óptimos. En cambio, para el caso real se toman en cuenta los flujos actuales con los que CARST trabaja, donde la eficiencia de equipos y procesos se encuentra desviada de la idealidad. El balance de masa teórico permitirá tener un marco de referencia y establecer así una comparación contra el caso real.
5.1 Balance de masa teórico Para la realización del balance de masa teórico se tomó como base de cálculo una producción de 30000 LAA/día (20,83 LAA/min), cercano al promedio de producción según los datos de la empresa registrada en la Tabla 5.1, tomada para diez ciclos de levadura.
29 Tabla 5.1. Datos de consumo de melaza y producción de mosto y alcohol etílico de CARST Alcohol producido Ciclo
Mosto
Consumo melaza (kg/día)
Producción (LAA/día)
Fuerza real (° GL)
Producción (L/día)
Fuerza real (° GL)
1
108862
36018
96,3
481281
8,30
2
94805
29373
95,8
470.066
7,70
3
96158
26279
95,8
430.730
7,85
4
102827
30267
96,2
445193
7,97
5
71790
24458
96,3
304290
7,60
6
82839
25994
96,1
368424
7,43
7
94294
27151
96,1
474379
7,80
8
106719
31915
96,2
473980
7,60
9
101117
29646
96,3
454909
7,37
10
108337
31366
96,2
484548
7,70
Promedio
96775
29247
96,1
438780
7,73
Todos los balances de masa realizados se muestran en el Apéndice E por lo que se hará referencia a los resultados hallados con las ecuaciones allí mostradas.
5.1.1 Fermentación Todos los flujos másicos teóricos de fermentación son presentados en la Tabla 5.2 de donde, a continuación, se detallará en algunos de los cálculos realizados y los valores obtenidos para las corrientes desconocidas. Para comenzar, fue necesario conocer el grado alcohólico del mosto fermentado que se obtiene en esta área del proceso. Para ello se tomó el valor a la salida de la cuba 5 y no del tanque de vino ya que allí se recirculan congenéricos del Alambique y se obtendría una falsa lectura del
30 rendimiento del proceso. En este sentido, en la Tabla 5.1 se muestra que, en promedio, el mosto fermentado obtenido está a 7,73º GL, con lo que, siguiendo las ecuaciones de balance de masa que se muestran en el Apéndice E, se obtiene un flujo de 225,34 kg/min de vino. Tabla 5.2. Flujos másicos teóricos de fermentación Descripción de corriente
Flujo másico (kg/min)
Alimentación de melaza
78,33
Agua para dilución de melaza
80,15
Melaza diluida
158,48
Vapor para esterilizar la melaza
1,42
Melaza esterilizada
159,90
Lodos retirados por centrífugas
13,97
Melaza clarificada
145,93
Alimentación de melaza a cuba 1
67,13
Alimentación de melaza a cuba 2
49,62
Alimentación de melaza a cuba 3
29,19
Alimentación de nutrientes a cuba 1
3,94
Alimentación de crema a cuba 1
220,35
CO2 producido en cubas
21,85
Mosto a la salida de cuba 5
349,21
Recuperación de crema en separadoras
123,87
H2SO4 en tanque de crema
0,84
Agua para dilución de crema
96,48
Vino para alimentar alambique
225,34
Congenéricos al tanque de vino
0,98
31
5.1.1.1 Dilución de melaza Para la dilución de la melaza, se debe llevar de 76,88º bx (densidad promedio a la que se recibe, mostrada en la Tabla 5.3) hasta 38º bx. Al realizar el balance respectivo se obtiene un flujo de agua de 80,15 kg/min. Tabla 5.3. Datos de la melaza que alimenta al área de fermentación (Laboratorio de Destilería de C. A. Ron Santa Teresa, 2012) % Azúcares
% Azúcares no
% Azúcares
Fecha
º bx
15-mar-10
77,20
62,3
2,3
60,0
12-abr-10
77,50
61,9
2,4
59,5
27-jul-10
76,30
58,8
2,6
56,2
11-ago-10
76,30
58,8
2,6
56,2
16-ago-10
75,00
62,9
2,2
60,7
13-sep-10
75,70
58,8
2,2
56,6
27-sep-10
75,70
58,8
2,6
56,2
11-oct-10
76,60
60,6
2,2
58,4
06-dic-10
76,10
51,3
2,0
49,3
24-ene-11
78,40
57,9
1,5
56,4
14-feb-11
77,10
58,8
2,3
56,5
24-feb-11
76,50
58,7
1,5
57,2
30-may-11
76,10
61,6
1,6
60,0
06-jun-11
76,50
60,2
2,0
58,2
totales
fermentables
fermentables
32 Tabla 5.3. Datos de la melaza que alimenta al área de fermentación (continuación) (Laboratorio de Destilería de C. A. Ron Santa Teresa, 2012) % Azúcares
% Azúcares no
% Azúcares
Fecha
º bx
25-jul-11
76,90
63,2
2,1
61,1
11-abr-11
77,50
64,5
2,0
62,5
22-ago-11
78,20
63,7
2,0
61,7
03-oct-11
76,20
57,1
1,8
55,3
31-oct-11
74,40
52,6
2,1
50,5
14-nov-11
77,70
60,5
2,5
58,0
05-dic-11
77,50
60,3
2,2
58,1
13-ene-12
78,40
54,0
3,0
51,0
24-ene-11
77,20
61,4
2,8
58,6
31-ene-12
75,90
60,4
2,4
58,0
06-feb-12
77,90
61,4
2,3
59,1
13-feb-12
80,20
51,2
3,0
48,2
Promedio
76,88
59,29
2,24
57,05
totales
fermentables
fermentables
5.1.1.2 Esterilización de melaza La cantidad de vapor utilizada en esta etapa debe apoyarse en el balance de energía que se muestra en el Apéndice E, donde la melaza diluida debe pasar de 75 a 80° C. Para este balance,
33 se ha tomado un valor de Cp de la melaza diluida de 3,59 kJ/kgºC (CBT Ingeniería Venezolana S. A., 2010) y un calor de vaporización (λVaporización) a 150 psi de 2.009,223 kJ/kg (Perry, 1984). De esta manera se obtiene un flujo de vapor de 1,42 kg/min y 159,90 kg/min de melaza esterilizada.
5.1.1.3 Clarificación de melaza Para conocer la cantidad de lodos que trae la melaza se emplea la definición de grados brix mostrada ecuación 2.1 de los fundamentos teóricos. De allí, conociendo como dato el porcentaje de azúcar total de 59,29% que se registra en la Tabla 5.2, se calcula que un 17,83 % de la muestra son lodos. Este valor equivale a una remoción teórica total de 13,97 kg/min de lodos por parte de las clarificadoras C-201 y C-202, obteniendo un flujo másico total de melaza diluida, esterilizada y clarificada antes de entrar a la batería de reacción de 145,93 kg/min.
5.1.1.4 Alimentación a las cubas Según los datos que se obtuvieron en la revisión bibliográfica del proceso y su diseño, se conoce que teóricamente un 46% de la melaza clarificada se debe alimentar a la cuba 1, un 34% a la cuba 2 y un 20% para la cuba 3 (C. A. Ron Santa Teresa, 1976); esto da como resultado unos flujos másicos respectivos de 67,13; 49,62 y 29,19 kg/min para cada cuba. En cuanto a la cantidad de crema, de acuerdo a bases de diseño de la planta, esta debe ser 1,51 veces la cantidad de melaza alimentada a los reactores (C. A. Ron Santa Teresa, 1976), por lo que se tiene un flujo másico teórico de 220,35 kg/min de crema diluida para la primera cuba. Adicional a esto, a la cuba 1 son alimentados también los nutrientes en la siguiente relación: 0,05 kg/min de fosfato diamonio y 0,03 kg/min de urea (Ortega, 2011). Estas cantidades son diluidas con 3,85 kg/min de agua, lo que da un total de nutrientes diluidos de 3,94 kg/min.
5.1.1.5 Producción de CO2 De los 78,33 kg/min de melaza alimentada al sistema, un promedio de 57,05% son azúcares fermentables, como se muestra en la Tabla 5.2. Según estequiometría, como se presenta en el marco teórico, el 48,9% del azúcar se convierte en CO2, lo que representa para el caso teórico del presente estudio un flujo de 21,85 kg/min de dióxido de carbono producido.
34
5.1.1.6 Producción de mosto fermentado y recuperación de crema Finalmente, al hacer un balance de masa global en las cubas se obtiene un flujo de 349,21 kg/min de mosto fermentado. La crema recuperada en las centrífugas se obtiene con un balance entre el vino y el mosto fermentado, lo que da como resultado un flujo de crema recuperada de 123,87 kg/min y agua de dilución de la crema de 96,48 kg/min.
5.1.1.7 Dosificación de H2SO4 y congenéricos Según registros de los datos de Destilería, se adicionan 0,84 kg/min de ácido sulfúrico al tanque de crema para controlar su pH. Adicionalmente, se agrega al tanque de vino un flujo de 0,98 kg/min de congenéricos para ser reprocesados en Alambique, conformado por los flujos teóricos de cabezas y ésteres de la Concentradora que se encuentran en la Tabla 5.4.
5.1.2 Destilación en alambique Para obtener los valores teóricos de flujos másicos en el Alambique que se presentan en la Tabla 5.4 se emplearon los balances de materia que se encuentran en el Apéndice E. Tabla 5.4. Flujos másicos teóricos de alambique Descripción de corriente
Flujo másico (kg/min)
Alimentación vino de fermentación
231,77
Aguardiente de la Destiladora
25,85
Cabezas de la Destiladora
0,70
Vinaza
208,39
Anti-incrustante
2,19
Aguardiente diluido de la Hidroselectora
78,49
Producto químico
0,01
Flemazas de la Rectificadora
65,55
35 Tabla 5.4. Flujos másicos teóricos de alambique (continuación) Flujo másico
Descripción de corriente
(kg/min)
Cabezas de la Concentradora
0,52
Fúsel de la Concentradora
0,46
Ésteres de la Concentradora
0,46
Flemazas de la Concentradora
8,47
Cabezas de la Rectificadora
1,21
Fúsel de la Rectificadora
0,57
Ésteres de la Rectificadora
0,53
Agua de reposición
6,79
Producto final
17,42
Congenéricos al R-321
0,98
Como entrada a los balances de masa se utilizó la misma base de cálculo que para el área de fermentación (30000 LAA/día) y se tomaron de las bases de diseño teóricas del Alambique los flujos correspondientes para las salidas de extracciones (cabezas, ésteres y fúsel). Estos flujos, entregados por C. A. Ron Santa Teresa, se presentan en la Tabla 5.5 y están referidos a un porcentaje del flujo de producto final. Tabla 5.5. Flujos teóricos de extracciones en relación al flujo de alcohol etílico Extracciones Cabezas Destiladora Cabezas Concentradora
Flujo (% del flujo de alcohol etílico) 4 4a2
36 Tabla 5.5. Flujos teóricos de extracciones en relación al flujo de alcohol etílico (continuación) Extracciones
Flujo (% del flujo de alcohol etílico)
Ésteres Concentradora Fúsel Concentradora
3a2 40 a 20 Lph
Cabezas Rectificadora
8a5
Fúsel Rectificadora
4a2
Ésteres Rectificadora
4a2
Además fue necesario conocer la fuerza real de las salidas y entradas de las diferentes columnas de destilación para poder llevar a cabo los balances de alcohol. Los valores de la graduación alcohólica de cada corriente se encuentran en la Tabla 5.6, donde se puede observar que las extracciones llamadas cabezas van aumentado su grado alcohólico a medida que avanza la destilación, lo que hace que se concentre aún más el alcohol. En este sentido, las cabezas de la Rectificadora tienen una fuerza real mayor que las de la Concentradora y éstas, a su vez, mayor que las de la Destiladora. Por otro lado, llama la atención que los ésteres y fúsel de la columna Concentradora tengan menor graduación que las corrientes de estos compuestos en la Rectificadora; esto se debe a que en la E-303 se concentran los ésteres y fúsel, haciendo pasar el alcohol etílico que se les retira a la Hidroselectora y disminuyendo así el grado alcohólico en ellos. En cambio, la Rectificadora trabaja con grandes concentraciones de alcohol, al ser la última columna del tren de destilación de donde se obtiene el producto final. Tabla 5.6. Fuerza real de las corrientes de alambique Corriente
Fuerza real (° GL)
Aguardiente
72,30
Cabezas Destiladora
86,45
Aguardiente Diluido
26,09
Alcohol de la Concentradora
96,02
37 Tabla 5.6. Fuerza real de las corrientes de alambique (continuación) Corriente
Fuerza real (° GL)
Cabezas Concentradora
96,70
Ésteres Concentradora
79,05
Fúsel Concentradora
73,95
Cabezas Rectificadora
97,10
Ésteres Rectificadora
91,41
Fúsel Rectificadora
81,80
Alcohol etílico
96,40
5.1.2.1 Dosificación de anti-incrustante y producto químico El anti-incrustante es fundamental en la columna Destiladora pues esta trabaja con sólidos suspendidos que pudieran causar taponamientos en equipos y tuberías, afectando directamente la eficiencia del proceso. El anti-incrustante es diluido con agua y su dosificación variará según la cantidad de vino que se alimenta a Alambique, tal como se aprecia en la Tabla 5.7. Tabla 5.7. Dosificación de anti-incrustante a alambique (Laboratorio de Destilería de C. A. Ron Santa Teresa, 2012) Caudal de alimentación de vino a Destiladora (Lph)
Anti-incrustante (kg)
15000
1,0
18000
1,3
20000
1,5
38 Tabla 5.7. Dosificación de anti-incrustante a alambique (continuación) (Laboratorio de Destilería de C. A. Ron Santa Teresa, 2012) Caudal de alimentación de vino a Destiladora (Lph)
Anti-incrustante (kg)
22000
1,6
25.000
1,8
27000
1,95
30000
2,2
Como producto químico se emplea Soda Ash (Carbonato de Sodio) y Metabisulfito de Sodio diluidos en agua, alimentados a la Hidroselectora para controlar los valores de pH y eliminar cualquier olor en el alcohol. Los valores teóricos se encuentran en la Tabla 5.8 y se obtuvieron de datos del Laboratorio de Destilería. Tabla 5.8. Producto químico teórico administrado a alambique en la Hidroselectora (Laboratorio de Destilería de C. A. Ron Santa Teresa, 2012) Compuesto
Masa (kg)
Soda Ash
1,16
Metabisulfito de Sodio
0,83
Agua
0,99
5.1.2.2 Agua de reposición El agua de reposición que se suministra al Alambique en la columna Rectificadora no estaba planteado en el diseño del tren de destilación. Este flujo fue una sugerencia posterior que permite
39 suministrar agua fresca y así disminuir la concentración de congenéricos en la columna. En planta existe un rotámetro local que permite fijar el valor del flujo másico de agua de reposición en 6,79 kg/min.
5.2 Balance de masa real Las entradas a las ecuaciones de balance de masa real que se muestran en el Apéndice F se han obtenido de dos medios: tomando los flujos reales conocidos con los que trabaja actualmente CARST, mostrados en un panel analógico en la Destilería; mientras que otros flujos, en cambio, fueron medidos experimentalmente en planta. Por esta razón se ha vuelto importante incluir los errores que puedan deberse a instrumentos de medición, desviaciones estándares en las medidas y su respectiva propagación a través de las ecuaciones del balance de materia. Las ecuaciones de la propagación de errores se muestran en el Apéndice G.
5.2.1 Fermentación A continuación en la Tabla 5.9 se disponen todos los valores de los flujos reales del área de fermentación con su respectivo error. Tabla 5.9. Flujos másicos reales de fermentación con sus respectivos errores Descripción de corriente
Flujo másico (kg/min)
Error (kg/min)
Alimentación de melaza
88
30
Agua para dilución de melaza
90
9
Melaza diluida
179
20
Vapor para esterilizar la melaza
1,5
0,5
Melaza esterilizada
180
20
Lodos retirados por centrífugas
47
9
Melaza clarificada
133
8
Alimentación de melaza a cuba 1
81
4
40 Tabla 5.9. Flujos másicos reales de fermentación con sus respectivos errores (continuación) Descripción de corriente
Flujo másico (kg/min)
Error (kg/min)
Alimentación de melaza a cuba 2
34
3
Alimentación de melaza a cuba 3
17
2
Alimentación de nutrientes a cuba 1
3,93
0,03
Alimentación de crema a cuba 1
232
7
CO2 producido en cubas
27
1
Mosto a la salida de cuba 5
369
20
Recuperación de crema en separadoras
96,10
0,06
H2SO4 en tanque de crema
0,84
0,01
Agua para dilución de crema
136,5
0,1
Vino para alimentar alambique
273
20
Congenéricos al tanque de vino
1,7
0,2
5.2.1.1 Dilución y esterilización de la melaza Análogo al balance de masa teórico de la sección anterior, se realizaron los balances presentados en el Apéndice F y se obtuvo un flujo total de melaza diluida de 179 ± 20 kg/min, mientras que al esterilizarla se agregan 1,5 ± 0,5 kg/min de vapor de agua.
5.2.1.2 Clarificación de la melaza El valor real de lodos retirado de la melaza fue hallado mediante un balance de masa realizado en el tanque de lodos, donde entra agua para desenlodar las clarificadoras, agua para arrastrar el
41 material sólido y los lodos. Con este balance se obtuvo un flujo másico de lodos igual a 47 ± 9 kg/min.
5.2.1.3 Alimentación a las cubas De acuerdo al panel en Destilería, los flujos para las cubas 1, 2 y 3 estaban fijados en 81 ± 4; 34 ± 3 y 17 ± 2 kg/min, respectivamente; mientras que el flujo real de la crema era 232 ± 8 kg/min. Por su parte, los nutrientes que se alimentan en la primera cuba se componen por 23 kg de fosfato diamonio y 14 kg de urea (Ortega, 2011). Estas cantidades son diluidas cada ocho horas en el tanque R-211 con 1,85 m3 de agua, lo que da un total de nutrientes diluidos de 3,93 ± 0,03 kg/min.
5.2.1.4 Producción de CO2 Análogo al balance realizado en la sección anterior, conociendo el porcentaje de azúcar fermentables y la cantidad de melaza alimentada a la fermentación, estequiométricamente se tiene un flujo másico de dióxido de carbono de 27 ± 2 kg/min.
5.2.1.5 Producción de mosto fermentado y recuperación de crema Con un balance global en la batería de reacción, se obtiene un flujo másico real de mosto fermentado igual a 369 ± 20 kg/min. La recuperación de crema fue medida experimentalmente a la salida de las centrífugas C-210 A/B, registrándose un valor de 96,10 ± 0,06 kg/min. Para la dilución de la crema se emplea entonces la cantidad de 136,5 ± 0,1 kg/min de agua.
5.2.1.6 Dosificación de H2SO4 y congenéricos El flujo de ácido sulfúrico se ha fijado en 0,84 ± 0,01 kg/min para ser agregados al tanque de crema, según datos suministrados por Destilería. Por otro lado, los congenéricos que se alimentan al tanque de vino se componen de ésteres y cabezas de la Concentradora, obteniendo un flujo real de 1,7 ± 0,2 kg/min.
5.2.2 Destilación en Alambique A diferencia del caso teórico, en el caso real se considerarán las posibles mermas que se puedan presentar en Alambique, específicamente en las columnas Destiladora, Concentradora y Rectificadora. Debido a que estas mermas son liberadas al ambiente y es imposible conocer su graduación alcohólica, se ha supuesto que poseen la misma fuerza real que los flujos de las cabezas en cada una de las columnas respectivas; en cuanto a las mermas totales, se supuso que
42 su grado alcohólico estaría promediado en 90° GL. Todos estos valores se presentan en la Tabla 5.10. Tabla 5.10. Fuerza real de las mermas en el alambique Corriente
Fuerza real (° GL)
Mermas de la Destiladora
86,45
Mermas de la Concentradora
96,02
Mermas de la Rectificadora
97,10
Mermas totales
90,00
Con los balances de masa presentados en el Apéndice F se han obtenido los flujos reales para Alambique que se muestran en la Tabla 5.11. Cada uno de los flujos está acompañado además de su respectivo error propagado. Tabla 5.11. Flujos másicos reales de Alambique con sus respectivos errores Descripción de corriente
Flujo másico (kg/min)
Error (kg/min)
Alimentación vino de fermentación
420
40
Aguardiente de la Destiladora
31
4
Cabezas de la Destiladora
0,92
0,06
Mermas de la Destiladora
10
7
Vinaza
379
50
Anti-incrustante
2,19
0,03
43 Tabla 5.11. Flujos másicos reales de alambique con sus respectivos errores (continuación) Descripción de corriente
Flujo másico (kg/min)
Error (kg/min)
Aguardiente diluido de la Hidroselectora
108
9
Producto químico
0,02
0,01
Flemazas de la Rectificadora
86
5
Alcohol de Concentradora a Hidroselectora
2,52
0,08
Vapor de tope de Hidroselectora
10
20
Cabezas de la Concentradora
1,1
0,1
Fúsel de la Concentradora
0,6
0,1
Ésteres de la Concentradora
0,7
0,1
Flemazas de la Concentradora
10
5
Mermas de la Concentradora
1
10
Cabezas de la Rectificadora
2,7
0,2
Fúsel de la Rectificadora
1,2
0,1
Ésteres de la Rectificadora
0,83
0,05
Agua de reposición
6,8
0,6
Mermas de la Rectificadora
8
1
Purga de agua
5
100
Producto final
14
2
Congenéricos al R-321
1,7
0,2
Como se puede observar con las corrientes de vapor de la Hidroselectora, mermas de la Concentradora y purga de agua, el error que acompaña al valor del flujo es mayor que este. Al realizar la propagación de errores que se encuentra en el Apéndice G se magnificaron los errores
44 de estas corrientes al estar afectados por errores de magnitudes mayores de otros flujos. En este sentido, para proyectos posteriores es de especial atención la revisión de los valores reales de estos flujos, para validar la información que se dispone en la Tabla 5.11.
5.2.2.1 Dosificación de anti-incrustante y producto químico Al igual que para el escenario teórico, la cantidad de anti-incrustante variará según la cantidad de mosto fermentado que se esté produciendo. Siguiendo los parámetros de la Tabla 5.7, se dosifica 2,19 ± 0,03 kg/min de anti-incrustante. En cuanto al producto químico, se agrega la cantidad que se presenta en la Tabla 5.12, diluido con agua y administrados en un flujo total de 0,02 ± 0,01 kg/min. Tabla 5.12. Producto químico real administrado a alambique en la Hidroselectora (Laboratorio de Destilería de C. A. Ron Santa Teresa, 2012) Compuesto
Masa (kg)
Soda Ash
1,50
Metabisulfito de Sodio
1,00
Agua
0,99
5.3 Comparación del Balance de masa teórico contra el real Sería inútil y poco provechoso no comparar ambos escenarios planteados en este proyecto. De esta manera, se presenta a continuación un contraste entre los flujos reales y teóricos obtenidos para cada área de Destilería.
5.3.1 Fermentación Para facilitar la comparación de los flujos reales y teóricos de fermentación, se ha dispuesto de la Tabla 5.13 donde se compilan ambos escenarios. De la Tabla 5.13 lo primero que se observa es que a medida que se alimenta más melaza al proceso, será necesario añadir más agua y vapor para diluir y esterilizar, de manera que se llegue a las mismas condiciones de operación deseadas como lo son grados brix de melaza diluida y temperatura de salida de melaza esterilizada. En
45 cuanto a los lodos, en el caso real aumenta considerablemente la cantidad retirada, lo que hace que se alimente menos melaza clarificada a las cubas. En este sentido, se podría decir que no solo se retiran lodos sino que posiblemente se esté perdiendo una cantidad de melaza en este proceso. Tabla 5.13. Comparación de flujos teóricos y reales en fermentación Teórico Descripción de corriente
Real % de desviación
Flujo másico (kg/min)
Flujo másico (kg/min)
Alimentación de melaza
78,33
88,57
13
Agua para dilución de melaza
80,15
90,62
13
Melaza diluida
158,48
179,18
13
1,42
1,51
6
Melaza esterilizada
159,90
180,69
13
Lodos retirados por centrífugas
13,97
47,29
239
Melaza clarificada
145,93
133,40
9
Alimentación de melaza a cuba 1
67,13
81,20
21
Alimentación de melaza a cuba 2
49,62
34,80
30
Alimentación de melaza a cuba 3
29,19
17,40
40
Alimentación de nutrientes a cuba 1
3,94
3,93
0
Alimentación de crema a cuba 1
220,35
232,30
5
CO2 producido en cubas
21,85
27,58
26
Mosto a la salida de cuba 5
349,21
369,63
6
Recuperación de crema en separadoras
123,87
96,10
22
H2SO4 en tanque de crema
0,84
0,84
0
Agua para dilución de crema
96,48
136,47
41
Vino para alimentar alambique
225,34
273,53
21
Vapor para esterilizar la melaza
46 La alimentación de melaza a las cubas 1, 2 y 3 real no cumple lo establecido en las bases teóricas. Los porcentajes de alimentación de melaza clarificada para cada cuba, respectivamente, dejan de ser 46, 34 y 20%, para pasar a ser 61, 26 y 13%, haciendo que se alimente una cantidad mayor de melaza en la primera cuba pero menos en las siguientes dos. Por su parte, la relación entre la crema y la melaza alimentada a la batería de reacción pasa de ser 1,51 en el caso teórico a 1,59 en el real, lo que demuestra que en este último escenario se está alimentando más crema de la necesaria. A pesar de estar alimentando menos melaza en el caso real, la producción de CO2 es mayor que en el caso teórico. Esto puede deberse a dos situaciones: que se esté dando lugar a otras reacciones secundarias o paralelas que promuevan la formación de dióxido de carbono, sin favorecer necesariamente el aumento de la producción de etanol; o que la melaza empleada en el escenario real tenga un porcentaje mayor de azúcares fermentables, superior al 57,05% utilizado para el cálculo de los flujos teóricos. Por otro lado, se puede notar que el flujo de crema recuperada es mayor en el caso teórico, lo que demuestra que las separadoras no están trabajando en su punto máximo de eficiencia. En cuanto a la relación entre la crema recuperada y su agua de dilución, en el caso teórico no se considera ninguna purga de biomasa o crema, lo que hace que este flujo sea mayor al del agua. En cambio, en el caso real debe existir una purga de biomasa debido a la constante reproducción de las células de levadura. Es por esta razón que se tiene menos crema recuperada que agua para diluirla en el escenario real. Finalmente, también existen flujos que se mantienen constantes o cercanos entre sí para el caso real y teórico, tal sucede con los nutrientes y ácido sulfúrico dosificados a fermentación.
5.3.2 Destilación en alambique En la Tabla 5.14 se encuentra los flujos teóricos y reales para el Alambique, lo que facilitará la comparación entre ambos escenarios. A medida que el flujo de vino que alimenta a la Destiladora es mayor, aumentarán también los flujos del resto de Alambique. Esto es lo que sucede entre el caso real y teórico; no obstante, nuestro producto final no aumenta al incrementar el flujo de vino. En el caso real se está produciendo más vino pero menos alcohol etílico, lo que permite pensar que se están generando una serie de subproductos (como congenéricos) que no son el producto deseado. De esta manera,
47 el escenario teórico permite afirmar que no se está produciendo tanto etanol en el caso real como se debería. Tabla 5.14. Comparación de flujos teóricos y reales en fermentación Teórico Descripción de corriente
Real % de desviación
Flujo másico (kg/min)
Flujo másico (kg/min)
Alimentación vino de Fermentación
231,77
303,00
31
Aguardiente de la Destiladora
25,85
31,90
23
Cabezas de la Destiladora
0,70
0,92
31
Mermas de la Destiladora
0
0,34
208,39
272,03
31
Anti-incrustante
2,19
2,19
0
Aguardiente diluido de la Hidroselectora
78,49
101,85
30
Producto químico
0,01
0,01
0
Flemazas de la Rectificadora
65,55
81,54
24
Flemazas entrada a Hidroselectora
-
76,41
-
Alcohol de Concentradora a Hidroselectora
-
2,52
-
Vapor de tope de Hidroselectora
-
11,92
-
Cabezas de la Concentradora
0,52
1,08
108
Fúsel de la Concentradora
0,46
0,64
39
Ésteres de la Concentradora
0,46
0,66
43
Flemazas de la Concentradora
8,47
9,95
17
Mermas de la Concentradora
0
2,68
-
Cabezas de la Rectificadora
1,21
2,67
121
Vinaza
48
Tabla 5.14. Comparación de flujos teóricos y reales en fermentación (continuación) Teórico Descripción de corriente
Real % de desviación
Flujo másico (kg/min)
Flujo másico (kg/min)
Fúsel de la Rectificadora
0,57
1,19
109
Ésteres de la Rectificadora
0,53
0,83
57
Agua de reposición
6,79
6,79
0
Mermas de la Rectificadora
0
7,56
-
Purga de agua
-
5,13
-
Producto final
17,42
14,85
15
Congenéricos al R-321
0,98
1,74
78
Existen además otros dos aspectos importantes que resaltar: en primer lugar, en el caso real se están considerando las mermas que existen en el Alambique y que no están representadas en el caso teórico o ideal. Y segundo, existen flujos teóricos que no fueron posibles de hallar debido a la falta de información de diseño de las columnas de destilación, pero que sí pudieron medirse experimentalmente para el caso real. Esto sucedió con la purga de agua, flemazas que alimentan a la Hidroselectora, su vapor de tope y el alcohol que se envía desde la Concentradora. Al comparar el consumo de melaza y la producción de alcohol etílico para el caso real y teórico, como se muestra en la Tabla 5.15, se evidente que, aunque se esté alimentando más materia prima, se está obteniendo menos producto final. Al hacer esta comparación se puede determinar la eficiencia de cada una de las áreas de Destilería y una eficiencia global del proceso, expuestas en la Tabla 5.16.
49 Tabla 5.15. Flujos másicos teóricos y reales de corrientes principales Corriente
Flujo real
Flujo teórico (kg/min)
(kg/min)
% de desviación
Melaza alimentada
78,33
88,57
13
Vino para alambique
225,34
273,53
21
Producto final
17,42
14,85
15
Tabla 5.16. Eficiencia de cada área de proceso y global Eficiencia Área de proceso Teórico
Real
Fermentación
100%
94%
Alambique
100%
65%
Global (Destilería)
100%
75%
El proceso productivo de la Destilería se encuentra alejado de la idealidad en un 25%. No obstante, el área que requiere más atención para poder aumentar la eficiencia de la producción de alcohol etílico a partir de melaza es el alambique, con una eficiencia de 65%.
50
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Luego de analizar los resultados obtenidos en el capítulo cinco se puede afirmar que se cumplió el objetivo general de este proyecto, así como cada uno de los objetivos específicos planteados. Adicional a esto, se llega también a las siguientes conclusiones: -
La graduación alcohólica de las corrientes de cabezas aumenta entre la Destiladora, Concentradora y Rectificadora, respectivamente. Esto se debe a que se va avanzando en la destilación y por ende aumenta también la concentración de alcohol etílico.
-
La fuerza real de ésteres y fúsel en la Concentradora es menor que en la Rectificadora debido a que en la primera se libera etanol hacia la Hidroselectora, lo que disminuye su concentración en la columna.
-
A medida que se alimenta más melaza al proceso, será necesario añadir más agua y vapor para diluir y esterilizar, de manera que se llegue a las mismas condiciones de operación deseadas como lo son grados brix de melaza diluida y temperatura de salida de melaza esterilizada.
-
En el caso real posiblemente se esté perdiendo una cantidad de melaza en el proceso de clarificación y remoción de lodos.
-
La alimentación de melaza a las cubas 1, 2 y 3 real no cumple lo establecido en las bases teóricas. En este aspecto, se alimenta una cantidad mayor de melaza en la primera cuba pero menos en las siguientes dos.
-
La relación entre la crema y la melaza alimentada a la batería de reacción pasa de ser 1,51 en el caso teórico a 1,59 en el real, lo que demuestra que en este último escenario se está alimentando más crema de la necesaria.
-
A pesar de estar alimentando menos melaza en el caso real, la producción de CO2 es mayor que en el caso teórico. Esto se puede deber a que se esté dando lugar a otras reacciones paralelas que promuevan la formación de dióxido de carbono o que la melaza empleada en el escenario real tenga un porcentaje mayor de azúcares fermentables que el promedio empleado en el caso teórico.
-
Las separadoras no están trabajando en su punto máximo de eficiencia, lo que hace que el flujo de crema recuperado teórico sea mayor al real.
51 -
En el escenario real existe una purga de crema debido al crecimiento exponencial de las células de levadura, lo que hace necesaria la pérdida de esta biomasa.
-
De no mejorar la eficiencia de los equipos, a medida que el flujo de vino que se alimenta a la Destiladora es mayor, aumentarán también los flujos del resto de Alambique menos la corriente de producto final.
-
En el caso real se está produciendo más vino pero menos alcohol etílico, por lo que se están generando una serie de subproductos (como congenéricos) que no son alcohol etílico.
-
En el caso real no se está produciendo tanto etanol como se debería. En este sentido se tiene una eficiencia global de Destilería de 75%, repartida entre 94% y 65% para las áreas de fermentación y alambique, respectivamente.
Por otro lado, con el trabajo presentado y los puntos de atención que han surgido en el desarrollo de este proyecto, se recomienda: -
Desarrollar una prueba piloto sobre la fermentación continua que permita obtener los rendimientos y grado de avance de la reacción a medida que se avanza en las cubas o reactores.
-
Hacer una búsqueda exhaustiva de los diferentes parámetros de diseño de Destilería, especialmente de Alambique. Este aspecto podría quizá apoyarse en simulaciones que permitan ampliar la información que se dispone.
-
Revisar de manera más detallada los valores reales de los flujos de vapor de la Hidroselectora, mermas de la Concentradora y purga de agua para validar la información presentada en este trabajo.
52
REFERENCIAS AVELEDO, A. 1987. Cosas que ustedes querían saber sobre fermentación pero que nunca se les ocurrió preguntar. C. B. T. S. A., Caracas. BURKENROAD REPORTS. 2008. Nueva Orleans. Disponible en Internet: http://www.latinburkenroad.com/docs/BRLA%20RST%20200804%20(Spanish).pdf, consultado el 20 de Enero de 2012. C. A. RON SANTA TERESA. 1976. Bases para la fermentación continua con recirculación de levadura. El Consejo. C. A. RON SANTA TERESA. 2000. Manuales de la Destilería Nueva. El Consejo. C. A. RON SANTA TERESA. 2009. Disponible en Internet: http://www.ronsantateresa.com, consultado el 23 de Febrero de 2012. CBT INGENIERÍA VENEZOLANA S. A. 2010. Clarificación Estática de melaza – Lavado de lodos. Balance de Materia y Energía Preliminar. El Consejo. ENCICLOPEDIA BRITÁNICA DE MÉXICO. 1983. Hombre, Ciencia y Tecnología. Tomo 6. México. FONDONORMA. 1993. Ron. Requisitos. Norma Venezolana Covenin 3040. Caracas. FONDONORMA. 1998. Alcohol etílico para la preparación de bebidas alcohólicas. Norma Venezolana Covenin 3370. Caracas. FILHO, O. 1991. Manejo de suelos y uso de fertilizantes para la caña de azúcar en Brasil. Boletín Geplacea, v.8 no.3, pp.1-6. GÓMEZ, J. 1996. Efecto de la aplicación de vinaza en la producción y calidad de la caña de azúcar. Universidad Centro Occidental “Lisandro Alvarado”. Venezuela.
GUPTA, R y DEMIRBAS, A. 2010. Gasoline, Diesel and Ethanol biofuels from grasses and plants. Cambridge University Press. Primera Edición. Nueva York. HUAMANI, G. 2009. Laboratorio de Fisicoquímica I, Densidad en líquidos: Método del Picnómetro. Disponible en Internet: http://www.geocities.ws/todolostrabajossallo/fico4.pdf, consultado el 7 de Marzo de 2012. LABORATORIO DE DESTILERÍA DE C. A. RON SANTA TERESA. 2012. Data de Destilería. C. A. Ron Santa Teresa. El Consejo. ORTEGA, J. 2011. Evaluación de la factibilidad de utilizar nuevos nutrientes en el proceso fermentativo de la melaza para la producción de alcohol. C. A. Ron Santa Teresa. El Consejo. PERRY, R. 1984. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. Sexta Edición. McGraw-Hill, Estados Unidos. RED INTERINSTITUCIONAL DE TECNOLOGÍAS LIMPIAS. 2004. Disponible en Internet en http://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/313101/313101_eca.htm, consultado el 12 de Marzo de 2012. REKLAITIS, G. y SCHNEIDER, D. 1986. Balances de Materia y Energía. 1era edición. Nueva Editorial Interamericana, México D.F.
53 RIIS, J. 2006. Mercaptanos, esa obsesión. Disponible en Internet: http://elmundovino.elmundo.es/elmundovino/noticia.html?vi_seccion=4&vs_fecha=200610&vs_ noticia=1161200100, consultado el 13 de Febrero de 2012. SENTHILKUMAR, V y GUNASEKARAN, P. 2009. Bioethanol from biomass. Production of Etanol from Molasses. CRC Press, Taylor & Francis Group. Primera Edición. Estados Unidos. SPENCEL E. y MEADE, G. 1967. Manual del Azúcar de Caña. 9na edición. Montaner y Simón S. A, Barcelona. UNITED MOLASSES COMPANY. 1986. The analysis of Molasses. 4ta edición. Londres. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Bogotá. Disponible en Internet: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/agronomia/2006228/teoria/obpulpfru/p7.htm, consultado el 2 de Febrero de 2012.
54
APÉNDICE A DIAGRAMAS DE BLOQUES Y DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESO A continuación de presentan los Diagramas de Bloque y Diagramas de Flujo de Proceso para la Destilería: A.1. Diagrama de bloques de fermentación. A.2. Diagrama de flujo de fermentación. A.3. Diagrama de bloques de alambique. A.4. Diagrama de flujo de alambique.
e aza
Melaza
Agua ó Vinaza
Vapor
Agua
Recepción
Dilución
Esterilización
Clarificación
Agua rica en azúcar
s e t n e i r t u N
Cuba 1
Aire
Cuba 2
Cuba 3
Cuba 4
Cuba 5
Dióxido de Carbono
Decantación Agua
Absorción
Lodo
Dióxido de Carbono
Agua rica en alcohol Crema
Tanque de Crema
Separación Agua
A g u a
Á c . S u l f ú r i c o
Figura A.1. Diagrama de Bloques de Fermentación
Vino Tanque de Vino
Congenéricos
steres Fúsel Extracciones Vapor
Anti-incrustante Vino
Cabezas
Vapor
Vapor
Vapor Agua Fusel
Destiladora E-301
Anti-incrustante Condensados Vinaza
A g u a r d i e n t e
e t n e i d r a u g A
Tanque de Aguardiente R-305
Hidroselectora E-302
Condensados Producto Químico
Concentradora E-303 Aguardiente Diluído Tanque de Aguardiente Diluído R-306
Condensados Flemazas
Rectificadora E-304 É s t e r e s
C a b e z a
Condensados
s
Producto Final
Aguardiente Diluído Flemazas
Purga de Agua Tanque de Congenéricos R-321
Al Tanque de Vino ó al R-305
Figura A.3. Diagrama de Bloques de Alambique
Tanque de Fusel R-307
Tanques de Producto Final R-317/8/9/20
Producto Químico
Mermas
Mermas
Mermas E-303
E-301
E-304
Agua de reposición
E-302 I-304
I-308
I-311
Anti-incrustante
I-303
I-307
I-310
I-302
Flemazas Vinaza
B-308 A/B
B-305 A/B
B-301 A/B B-302 A/B
B-306 A/B Anti-incrustante B-309 A/B Vino
R-307 Fusel
Fúsel
R-305 Aguardiente
B-228 A/B
I-312 R-306 Aguardiente Diluído
B-303 A/B
Purga de Agua
B-307 A/B
Etanol
B-304 A/B
R-321 Congenéricos
Congenéricos
B-311
Figura A.4. Diagrama de Proceso de Alambique
59
APÉNDICE B FLUJOS VOLUMÉTRICOS DEL PÁNEL DE LA DESTILERÍA NUEVA DE CARST Medidor en panel
Descripción de corriente
Flujo (L/h)
Error (L/h)
FIC-213
Crema Cuba 1
13800
300
FIC-217
Melaza diluida, esterilizada y clarificada C1
4200
120
FIC-227
Melaza diluida, esterilizada y clarificada C2
1800
120
FIC-218
Melaza diluida, esterilizada y clarificada C3
900
60
FIC-3131
Vino a la Col. Destil.
18000
1000
FHIC-3113
Cabezas Col Destil.
68
2
FIC-3123
Entrada R-305
2200
100
FIC-3124
Salida Aguardiente R-305
2000
100
FIC-3231
Flemazas Col. Hidrosel
5200
200
FIC-3224
Alimentación. Col. Rectific.
6650
200
FIC-3323
Extracc. Col. Concent. (Concent a Hidrosel)
186,43
1
FHIC-3313
Salida Extracc. Concent. (Cabezas)
80
5
FHIC-3315
Salida Ésteres de la Concent.
46
2
FHIC-3316
Flemazas Concent.
78
2
FHIC-3413
Cabezas Col Rectif.
200
10
FHIC-3414
Fúsel Col. Rectif.
81
2
FHIC-3415
Ésteres Col. Rectif.
61
1
FIC-3423
Producto Final
1100
100
FIC-3314
Fúsel Col. Concent.
42
4
Rotámetro Local
Agua de Reposición
408
40
60
APÉNDICE C CÁLCULO DE LA DENSIDAD DE UN FLUIDO EMPLEANDO UN PICNÓMETRO Un picnómetro es un frasco de vidrio que dispone de un tapón con un capilar, de manera que puede obtenerse cierto volumen con gran precisión. Esto permite calcular la densidad de un fluido en relación a un fluido de referencia que suele ser agua, según la metodología presentada a continuación. También se emplea para determinar la gravedad específica de partículas de polvo o arenilla que no puede determinarse con el simple método de pesar. Con base en la norma D854, la metodología experimental para el cálculo de la densidad de un fluido utilizando un picnómetro y tomando el agua como fluido de referencia es la siguiente: 1. Se toma el picnómetro, se lava y se coloca en la estufa por un periodo de 10 a 15 minutos para que seque bien. 2. Se pesa el picnómetro vacío en la balanza. Esta masa se llamará mo (masa del picnómetro vacío). 3. Se llena el picnómetro con agua destilada al ras del capilar y se pesa para obtener su masa. Ésta será m1 (masa del picnómetro con agua). En caso de que se derrame algunos de los fluidos en el picnómetro, se deben secar las paredes exteriores para evitar falsas lecturas en la balanza. 4. Se vacía el picnómetro y se enjuaga con la muestra a la que se le quiere determinar su densidad. 5. Se llena el picnómetro a ras del capilar con la muestra y se pesa. Esta masa será m2 (masa del picnómetro con la muestra). 6. Se determina la densidad de la muestra según los siguientes cálculos:
donde,
61
Entonces,
62
APÉNDICE D DATOS MÁSICOS OBTENIDOS PARA HALLAR LAS DENSIDADES DE LAS CORRIENTES DE DESTILERÍA Masa de la muestra (g) Descripción de muestra
Masa promedio
Desviación Estándar (g)
1
2
3
Crema entrada TQ dilución
52,34
52,34
52,33
52,34
0,01
Crema salida TQ dilución
52,25
52,26
52,25
52,25
0,01
Crema Cuba 1
52,04
52,05
52,04
52,04
0,01
Melaza diluida, esterilizada y clarificada
55,86
55,89
55,87
55,87
0,02
Reflujo Destiladora
47,59
47,54
47,57
47,57
0,03
Vino a la Col. Destil.
52,13
52,06
52,06
52,08
0,04
Cabezas Col Destil.
47,44
47,46
47,41
47,44
0,03
Aguardiente
49,01
49,12
49,14
49,09
0,07
Flemazas Col. Hidrosel
51,88
51,89
51,87
51,88
0,01
Alimentación. Col. Rectific.
51,22
51,20
51,21
51,21
0,01
Reflujo Col. Concent.
47,19
47,19
47,22
47,20
0,02
47,32
47,34
47,30
47,32
0,02
Cabezas Col. Concent.
47,33
47,28
47,23
47,28
0,05
Salida Ésteres de la Concent.
48,12
48,16
48,30
48,19
0,09
Cabezas Col Rectif.
47,20
47,17
47,18
47,18
0,02
Extracc. Col. Concent. (Concent. a Hidrosel.)
muestra (g)
63 Masa de la muestra (g) Descripción de muestra
Masa promedio
Desviación Estándar (g)
1
2
3
Fúsel Col. Rectif.
49,02
49,12
48,98
49,04
0,07
Ésteres Col. Rectif.
47,69
47,63
47,64
47,65
0,03
Producto Final
47,24
47,27
47,25
47,25
0,02
Vinaza
52,37
52,45
52,46
52,43
0,05
Fúsel Col. Concent.
49,71
49,93
49,85
49,83
0,11
Picnómetro vacío
27,87
27,87
27,85
27,86
0,01
Picnómetro con agua
51,86
51,85
51,86
51,85
0,01
muestra (g)
64
APÉNDICE E FÓRMULAS DE BALANCE DE MASA TEÓRICO - Fermentación Según los datos de Destilería, 0,94 kg de Melaza producen en promedio 0,25 L de Alcohol, por lo tanto,
Dilución de la melaza
Esterilización de la melaza
Clarificación de la melaza
Alimentación de melaza a cubas
Crema diluida que se alimenta a la cuba 1
Producción de CO2
65
Producción de mosto en Cuba 5
Producción de vino
Crema recuperada en las centrífugas
Agua para dilución de crema
Congenéricos al tanque de Vino
- Alambique Global
Global de Alcohol
Columna Destiladora Global
Alcohol
66
Columna Hidroselectora Global
Alcohol
Columna Concentradora Global
Alcohol
Columnas Hidroselectora y Concentradora Global
67 Alcohol
Columna Rectificadora Global
Alcohol
68
APÉNDICE F FÓRMULAS DE BALANCE DE MASA REAL - Fermentación Clarificación de la melaza
Esterilización de la melaza
Dilución de la melaza
Producción de CO2
Producción de mosto en Cuba 5
Producción de vino
69 Crema recuperada en las centrífugas
Agua para dilución de crema
Congenéricos al tanque de Vino
- Alambique Global
Global de Alcohol
Columna Destiladora Global
Alcohol
70
Columna Hidroselectora Global
Alcohol
Columna Concentradora Global
Alcohol
71
Columnas Hidroselectora y Concentradora Global
Alcohol
Columna Rectificadora Global
Alcohol
72
APÉNDICE G PROPAGACIÓN DE ERRORES A continuación se presentan las ecuaciones obtenidas para el cálculo de los errores de los flujos reales: - Fermentación
73
- Alambique Se define:
74
° +° ú ó ° + ° ú ° ú + ° ú ° É ú +É ° É
75
76
APÉNDICE H DATOS BÁSICOS DE LA MELAZA (CBT INGENIERÍA VENEZOLANA S. A., 2010) Fecha: Enero 2010 Proyecto: Clarificación Estática de melaza- lavado de lodos. Cliente: CARST
Capacidad de Producción , Referida a alcohol anhidro
LAA/día
Fracción peso de etanol en producto final
0,94
Fracción de azúcares totales en melaza, como invertidos
0,48
fermentables Densidad etanol anhidro @ 15°C Rendimiento Consumo de melaza
30000
kg AA/LAA LAA/TM melaza kg/LAA
Gravedad específica de la melaza
0,7936 263 3,81 1,457
Densidad de la melaza
° Brix @ 20° C
85
Densidad de melaza diluida al clarificador
° Brix @ 20° C
45
Fracción peso de sólidos precipitables en melaza
0,08
Fracción peso de sólidos insolubles en lodos del clarificador
0,30
Fracción peso de sólidos insolubles en lodos intermedios
0,30
Fracción peso de sólidos insolubles en lodos finales
0,30
Relación de agua caliente/lodos del clarificador
2,5