DIA 1 Calidad de la caña

Fisiología de la caña de azúcar
 Planta tipo C-4.
 Características: alta tasa de fotosíntesis y
alta producción de biomasa.
Principales componentes de la
caña de azúcar
JUGO
SÓLIDOS
SOLUBLES
(BRIX)
CAÑA
FIBRA (F)
SACAROSA (S)
(POL)
OTROS (NO POL) (N)
-
Materiales coloreados
Polisacáridos
Azúcares Reductores (AR)
Impurezas
Azúcares sencillos
(azúcares invertidos o reductores)
Reacción de Maillard
Son monosacáridos como por ejemplo glucosa
O
y fructosa
OH
OH
G
F
Gluc osa
Sac aros a
R - NH 2
OH
O
O
Reacción de Maillard
O
O
O
O
OH
OH
Le vogluco seno na
R - NH 2
NH - R
Sac aros a
Gluc osa
Glucosa
O
Fru cto sa
O
Fructosa
Polím e ros,
M a ter ia l colore ado
O
O
Le vogluco seno na
O
C HO
Disacáridos
Son
azúcares
que
se
forman
a
partir
de
dos
monosacáridos, por ejemplo sacarosa
G
OH
F
OH
G
O
sacarosa
F
Química de la sacarosa
OH
HO
HO
OH
O
O
HO
OH
O
OH
Glucosa
Fructosa
Enlace glicosídico
OH
Proceso de Fabricación de Azúcar
Calidad de la
materia prima
Objetivo de los
ingenios azucareros
Buena recuperación
Para garantizar una excelente
calidad del producto final y
reducción de pérdidas se
requiere de un buen proceso
agro – industrial
Principal Problema
Pérdidas de Sacarosa
La sacarosa (S) destinada a la producción de azúcar tiene que ser
recuperada al máximo (ARE)
ARE (%) = aS - bN – CF
S = Sac % caña
N = No Sac % caña
F = Fibra % caña
a, b, c = Parámetros de fábrica
Elementos fundamentales en la producción
de azúcar
Calidad de la
materia prima
Sistema eficiente del
tratamiento del jugo de
la caña
Buen sistema de
cristalización
(semillamiento
completo con semilla de
buena calidad)
Limpieza y buen control
sanitario (disminuir las
pérdidas de origen
microbiológico)
Biosíntesis de la sacarosa
CO2 + H2O + Luz
Compuestos pobres
en energía
O2 + Materia orgánica
Compuestos ricos
en energía
Azúcares
La caña de azúcar está constituida por
•
•
•
•
Sitio de producción de los fotosíntatos.
Sistema de distribución.
Sitios de consumo.
Sitios de acumulación o almacenamiento de los
azúcares.
Acumulación de sacarosa
• Reservorio de los fotosintatos.
• Compuestos de una sucesión de
entrenudos: maduros (base), en
proceso de maduración,
entrenudos inmaduros (cogollo,
punta o ápice).
Tallo
Acumulación de sacarosa
un proceso simple?
R1
Sacarosa
Azúcar
Hexosa
R2
Respiración
Fuente: SASRI. Sudáfrica. 2005.
Hexosas
10%
Polímeros
/ proteínas
32%
Sacarosa
Hexosas
21%
T. Joven
Polímeros
/ proteínas
9%
Triosas
Hexosas
30%
Sacarosa
Triosas
15%
Otros
compuestos
Otros
compuestos
Distribución del carbono
en la caña de azúcar
Fuente: SASRI. Sudáfrica. 2005.
Composición de la caña % base húmeda
Componente
Toda la Planta
Caña limpia
Tallos
77.8
96.8
Cogollos
14.3
2.7
Otros
7.9
0.5
Composición tecnológica de la caña de azúcar
Fibra
10 -16%
Caña de
azúcar
Celulosa
Pentosas (xilanos, arabanos, etc)
Lignina
Agua
prom. 70 %
Jugo
84 - 90%
Sólidos solubles
(Brix) 14 - 20
sacarosa
(12 – 18%)
No – sacarosas
(1 – 2%)
Azúcares
Glucosa (0.5 – 1.0%)
Fructosa (0.5 – 1.0%)
Otros: polisacáridos, etc.
No sacarosas
No - Azúcares
Orgánicos: Colorantes, ácidos, etc.
Inorgánicos: Sales minerales
Constituyentes
químicos y composición
promedio de los jugos
de la caña de azúcar
AZUCARES
SALES
NO AZUCARES
ORGÁNICOS
Tallo
% caña
Agua
73 – 76
Sólidos
24 - 27
Sólidos solubles (Brix)
10 – 15
Fibra (seca)
11- 16
Constituyentes del jugo
% sólidos solubles
Sacarosa
70 – 88
Glucosa
2–4
Fructosa
2 -4
Oligosacáridos
0-06 – 0.6
Polisacáridos
0.2 – 0.8
Sales inorgánicas
1.5 – 4.5
Ácidos orgánicos
0.7 – 1.3
Aminoácidos
0.5 – 2.5
Colorantes
0.1
Ceras
0.05 – 0.15
Fosfolípidos
Constituyentes de los jugos
ORGÁNICOS:
Azúcares Sencillos: Glucosa, fructosa
Disacáridos: Sacarosa
Oligosacáridos
Polisacáridos
Colorantes (fenoles, flavonoides, etc)
Aminoácidos, proteínas,
Ácidos orgánicos
INORGÁNICOS:
Sales de potasio, fosfato, silica, calcio,
magnesio, hierro, etc.
Oligosacáridos principales en la caña de azúcar
Theanderosa
Rafinosa
Melezitosa
Erlosa
Leucrosa
Panosa
Gentianosa
Maltosa
Malto (triosa, etc)
Cestosa
Cellobiosa
Isomaltosa
Concentración promedio y naturaleza de los
carbohidratos en jugos de caña de azúcar
Carbohidratos
Monosacáridos (%)
Disacáridos (%)
Oligosacáridos (% Bx)
Concentración
Glucosa
0.26 – 0.33
Fructosa
0.26 – 0.33
Sacarosa
0.96 – 10.6
1 – Cetosa
0.26 – 0.33
6 – Cetosa
0.03 – 0.50
Neo – Cetosa
0.01 – 0.40
Teanderosa
Polisacáridos (% Bx)
0.03 – 1.3
Polisacáridos de la caña de azúcar
Caña de azúcar
• Origen natural
• Origen microbiano
Polisacáridos de la caña
ISP
(Indigenous Sugarcane
Polysaccharide) – arabinogalactanos
+ xylomannanos – constituyente
normal de la caña
Almidón
Constituyente normal de la caña
Glucana
Constituyente normal de la caña
Dextrana
Producto microbial; indica degradación
de azúcar
Almidón
• Constituyente normal de la caña.
• Se concentra en la punta de crecimiento de la
mata (cogollo) y aún más en las hojas.
• Es más concentrado en la caña no madura.
• Las variedades de caña tienen diferentes
concentraciones naturales del almidón en el
jugo.
La Estructura del Almidón

Se compone de dos polímeros de α-1, 4glucosa.

Amylosa – cadenas rectas.

Amilopectina – cadenas ramificadas.

Existe en granulos.

Cuande se calientan, los granulos se
gelatinizan y esto aumenta mucho la
viscosidad de las soluciones.
Estructura del almidón (natural)
Almidón
• Porqué nos preocupamos por el almidón?.
• Causa problemas con la filtración?.
• Cómo se puede controlar?.
• Procesar caña madura, no incluir las hojas y
el cogollo, usar variedades bajas en
almidón, usar la enzima – amilasa.
ISP – Polisacárido Indígeno de la caña
• Tiene una estructura muy complicada.
• Los azúcares mayores después de hidrolizar son:
Arabinosa, galactosa, xilosa, manosa, glucosa y
ácido glucurónico.
• Se compleja con muchos compuestos – fenólicos,
ácidos grasos (C14 – C18) y el ácido aconitico.
• Contribuye mucho al color natural del jugo de la
caña. (Amarillenta hasta marrón).
ISP – Polisacárido Indígeno de la caña
• Carga negativa.
• Contribuye a la formación de floc en azúcar
refinada en bebidas carbónicas (Pepsi, Coca
Cola).
• La concentración en jugo ~ 0.5-1.0%.
• La concentración en azúcar cruda ~ 0.1-0.5%.
• Alto peso molecular (>300,00) con tendencia
de transferir al cristal.
Síntesis general de las dextranas a partir
de la sacarosa
Estructura general de las dextranas
(origen microbiano)
Consumo de sacarosa y producción de
dextranas en diferentes intervalos de tiempo.
Leuconostoc mesenteroides 3 A
Tiempo (h)
Consumo de
sacarosa
(g/L)
Producción
de dextrana
(g/L)
1
8.50
0.35
5
42.30
1.08
15
53.40
5.10
Interferencias de los almidones y dextranas
en los valores de POL y ATR
Almidones
100 mg/L incremento
POL
0.06 (%)
ATR
0.14Kg/t caña
Dextranas
100 mg/L incremento
POL
0.07 (%)
ATR
0.36 Kg/ t caña
Fuente: F. Viginottii, et al S. Journal, 2013
Rotación óptica específica de algunas no – sacarosas, especialmente polisacáridos
Compuesto
Rotación óptica específica
D
D
D
D
D
D
Otros metabolitos presentes en
caña de azúcar
Dhurrin
Naturaleza de los materiales coloreados en la
caña de azúcar
Compuestos fenólicos de
origen natural y sus
derivados.
Melanoidinas (Reacciones
entre carbohidratos y
aminoácidos)
Productos de degradación
térmica.
Componentes Fenólicos
Colorantes naturales
(Clorofilas)
Precursores de color
(Flavonoides)
Flavonoides de la caña de azúcar
• Antocianinas
• Flavonoles
• Flavonas
Flavonas
Grupos
 Tricino
 Luteolino
 Apigenino
Propiedades químicas y efectos de los flavonoides en
el procesamiento industrial de la caña de azúcar
• Componentes mayores de los colorantes sensitivos al Ph.
• Las antocianinas se descomponen durante la clarificación (pH
7.0)
• Los derivados de los grupos TRICINO, LUTEOLINO y APIGENINO
causan al menos el l30% del color del azúcar crudo (pH 7.0).
El rol de los compuestos fenólicos en la industria
azucarera






Realza la reactividad del color
Forman colorantes de origen enzimático y noenzimático (browning pigments)
Reacciones de la condensación de fenol-aldehido
Reacciones fenoles-aminas
Reacción con hierro y cobre que forman
complejos colorados
Reticulación de polisacáridos
Reticulación de polisacáridos
Naturaleza y concentración de los aminoácidos en jugos de
caña de azúcar
Compuesto
Amidas
Aminoácidos
Asparagina
Glutamina
Aspártico
Glutámico
Alanina
Valina
Aminobutirico
Threonina
Isoleucina
Glicina
Otros
Libre % Materia seca
0.71
0.19
0.11
0.05
0.06
0.03
0.03
0.02
0.01
< 0.01
trazas
0.06
0.08
0.05
0.03
0.03
0.04
0.04
0.04
< 0.03
Promedio de aminoácidos en el cogollo
de la caña de azúcar
Aminoácido
Cogollo
(jugo)
Yagua
(mg/100g)
Hoja
Asparagina
Aspártico
Glutamina
Arginina
Glutámico
Prolina
Valina
Lisina
Serina
Aminobutírico
103.4
40.6
31.4
17.7
17.2
10.2
6.9
6.2
6.1
5.7
23.7
6.1
6.0
0.2
7.9
8.9
1.0
0.2
2.5
1.0
1.8
2.9
9.2
0.6
5.0
0.4
0.9
1.1
2.6
0.4
Peso total
Total aminoacido
272.0
35
65.0
31
40.0
30
Principales colorantes formados durante el
proceso
Melanoidinas
Productos de
degradación alcalina
Caramelo a partir de
la sacarosa
Descomposición térmica
Etapas en la formación de compuestos
coloreados
• Reacciones de degradación: Deshidratación y
derivados del furano.
• Polimerizaciones y condensaciones.
Productos de degradación alcalina
Ácidos
Sacarínicos
Ácido Láctico
Mezcla de
Ácidos
Orgánicos
Rangos indicadores de color
Valor Indicador (IV: color pH 9 / color pH 4)
Colorante
IV
(pH 9 / pH 4)
Melanoidinas
1.0 – 1.2
Caramelo
1.0 – 1.5
Productos de degradación de fructosa
1.5 – 3.2
Compuestos fenólicos (Flavonoides)
5.0 – 14.0
Ácidos orgánicos no nitrogenados
Natural
Formados durante
el proceso
Ácido
Concentración
(ppm / Bx)
Oxálico
40 – 200
Cítrico
900 – 1800
Tartárico
10 – 180
Málico
1200 – 1800
Aconítico
5000 – 8000
Succinico
100 – 200
Glicólico
Trazas – 150
Láctico
250 – 670
Acético
200 - 300
HOOC
H
C=C
HOOCCH2
COOH
Incrementa el
consumo de cal
durante la
clarificación y forma
sales (aconitatos) en
materiales de baja
pureza
Está implicado en la
evaporación y
agotamiento (caída)
Ácido Trans
aconítico
Presente
especialmente en
materia extraña de
origen vegetal y
materiales de baja
pureza
Ácido Láctico
Valor
• 300 Mg/L
Jugos infectados por
Bacillus SP.
• > 1500 Mg/L (Base Brix)
Construcción de la calidad
Compromiso de todos
Áreas
Labores agrícolas  Planeación
Industria  Fábrica
• Materia prima
• Procesos
• Productos
Características de calidad de la caña
Carácter
agronómico
Morfología
Calidad de los jugos
Sacarosa y pureza de
los jugos
Fibra
Características de
calidad de caña
Contenido de fosfatos
y elementos minerales
Contenido de
almidones
Representación general de la caña por compuesto y
rango de la relación fibra dura: médula (“pith”)
observada en algunas variedades de caña de azúcar
Relación fibra dura: Médula
1.52 – 0.66
Fibra (%)
15.0 – 10.0
Fuente: Chen, J. C. P., 2000 y Rein, P., 2012
Análisis típicos de la fibra de caña
(porcentaje basado en materia seca)
Clarke (1988)
Rango
Purchase (1995)
Promedio
Celulosa
40 - 58
40
Hemicelulosa
24- 32
30
Lignina
13 - 22
22
1-4
5
Cenizas /
otros
Fuente: Larrahondo, J. E. (2012); Rein, P. (2012)
Relación de fibra larga a fibra corta para
diferentes variedades de caña de azúcar a
la edad de 11 meses
Variedad
Fibra larga / fibra corta
Fibra % caña
CL 59 – 994
1,52 a1
12,2
CP 57 – 603
1,33 ab
9,6
CL 61 – 5
1,17 bc
9,5
CL 41 – 223
1,01 cd
10,1
CL 61 – 205
0,98 cd
9,0
CL 54 – 378
0,85 de
11,0
CL 54 - 312
0,66 e
10,1
1
Promedio de 5 repeticiones (Análisis de Duncan, nivel de 0,05)
Fuente: Snow, J. T. (1974)
Variaciones de la relación de fibra larga
(FL) a fibra corta (FC) con la edad de la
caña de azúcar
Variedad: CL 41 - 223
Edad
(meses)
7
10
11
12
Fibra larga /
fibra corta
0,58
1,07
1,01
1,00
Fuente: Snow, J. T. (1974)
Variedad: N - 20
Edad
(meses)
9
19
Fibra larga /
fibra corta
2,94
3,43
Fuente: Moodley, M. 1991
Observaciones de caña en campo y laboratorio
Agro industrial Laredo
63
Principales factores de la calidad de la materia prima
Variedades de la caña de azúcar
Condiciones ambientales
Maduración
Estado sanitario
Tiempo entre quema – corte – procesamiento (deterioro de la caña)
Pureza de la caña
Materia extraña
• Factores genéticos y
ambientales.
• Prácticas culturales.
• Estado de maduración:
edad y época de corte.
Depende de: Factores
después del corte
Depende de: Factores
antes del corte
Calidad de la materia prima
• Altura de corte.
• Sistema de cosecha.
• Contenido de
impurezas (materia
extraña).
• Tiempos entre corte –
molienda.
• Sistemas de limpieza
(húmedo, seco).
• Acción microbiológica.
Factores que afectan la calidad
de la caña antes del corte
• Variedad
• Prácticas culturales
• Edad y época de corte
• Enfermedades y/o plagas
• Maduradores
Variedades de la caña
• Difieren en su composición: constituyentes orgánicos e
inorgánicos (características químicas).
• Tasa de deterioro y/o pérdida de sacarosa después del
corte.
• Maduración.
• Susceptibilidad al ataque de plagas.
• Características agronómicas y morfológicas.
Diferencias varietales en la calidad de la
caña de azúcar
Variedad
Rendimiento
(%)
Pureza
(%)
Fibra
(% caña)
CP 57603
11.2 A
90.7 A
14.7 A
Mex 68808
10.6 B
89.0 B
13.6 B
Mex 68200
10.3 B
89.4 B
13.3 BC
Mex 641487
10.3 B
88.8 B
12.5
V 7151
9.8 C
89.3 B
13.0 C
Mex 641214
9.3 D
86.3 C
13.0 GC
Prácticas culturales y la calidad de los jugos
Nutrición
Vegetal
Regímenes
de humedad
Efecto de la fertilización nitrogenada (N) en los
niveles de sacarosa (Experiencia Sudáfrica)
Sac % caña
56 kg N / ha
13.9
13.5
112 kg N / ha
13.8
13.0
224 kg N / ha
13.7
12.7
336 kg N / ha
13.3
12.0
Nota: En el caso del potasio, tanto los niveles de sacarosa como pureza se
Incrementan, pero solo en aquellos sitios donde existan deficiencias.
Efectos observados de la fertilización con nitrógeno
en los contenidos de minerales en los jugos de caña
Componente
Meq / 100
0
N (kg / Ha)
112
224
Na
2.8 a
3.1 a
2.7 a
K
60.0 a
74.0 b
78.0 b
Ca
5.8 a
6.1 a
7.0 b
Mg
8.0 a
9.5 ab
10.8 b
N
9.9 a
24.4 b
38.1 c
P
7.0 a
3.5 b
2.5 c
Cl
28.8 a
46.6 b
48.5 b
Ecmmho / cm
9.1 a
11.4 b
11.6 b
pH
5.5
5.4
5.4
Efecto de la fertilización nitrogenada en el contenido de almidones y
fenoles en la variedad C 72356 a la edad de 10.4 meses, cultivada en
un suelo de la serie Manuelita del Ingenio Providencia
Tratamiento
N (Kg/ha)
Almidones
(ppm)
Fenoles Totales
(ppm)
46
141
809
69
138
896
92
100
1112
115
69
852
138
54
787
Características químicas de la calidad de los jugos de la variedad
PR 61-632 bajo diferentes regímenes de humedad del suelo,
Edad: 14 meses
Tratamiento
Nivel de
Humedad (%)
Azúcar
Red.
(%)
Color
U.I x 103
1/
K2O
(%)
sólidos
Turbidez
Abs.
P2O5
(ppm)
N-NH2
(ppm)
2/
Fenoles
(ppm)
2/
Almidones
(ppm)
100
1.22
8.24
0.34
0.70
869
48
548
27
80
1.33
8.14
0.42
0.99
524
183
569
17
50
0.90
11.60
0.61
1.23
344
195
587
18
20
1.06
13.34
0.64
1.56
312
228
633
13
1 = Unidades ICUMSA
2 = Expresado como Ácido Glutámico
Empleo de glifosato
Positivos
Negativos
- Incremento de la sacarosa (5-30%)
- Disminución de la relación
AR / cenizas
- Incremento de la pureza (1-4%)
- Posible incremento de
polisacáridos totales
- Disminución de la fibra (3-5%)
Depende de: Factores
después del corte
Calidad de la materia prima
• Altura de corte.
• Sistema de cosecha.
• Contenido de impurezas (materia extraña).
• Tiempos entre corte – molienda.
• Sistemas de limpieza (húmedo, seco).
• Acción microbiológica.
Altura
óptima
de corte
Deterioro de la caña
Operaciones Agrícolas
El deterioro ocurre
mediante
Perdida de agua
• (1 – 2% / día)
• Procesos enzimáticos
(Bioquímicas): Acción
de las invertasas (ácida
y neutra).
• Procesos Químicos:
Inversión causada por
las condiciones ácidas
de los jugos.
• Acción microbiana:
Formación de
dextranas y ácidos
orgánicos.
• Introducción de
impurezas, control de
maduración y cosecha.
Origen de las pérdidas de sacarosa
Químico
13%
Bioquímico 27%
Microbiológico 60%
Fuente: Solomon
Pérdidas Bioquímicas
C12H22O11
Sacarosa
C6H12O6 +
Glucosa
+
C6H12O6
Fructosa
Facilitado por la acción de las invertasas endógenas de la caña de
azúcar
pH optimo 4.8-5.2 (Invertasa ácida);
7.0 (invertasa Neutra)
Bajo condición normal, la actividad de la invertasa ácida
aumenta rápidamente después de 72 horas de almacenaje
Microorganismos de la caña de azúcar
quemada y sin quemar
Leuconostoc mesenteroides
(formador de polisacáridos
como las dextranas).
Levaduras (Saccharomyces,
Torula y Pichia).
Bacterias (Pseudomonas).
Microorganismos del suelo:
Bacillus cereus, Pinicillium y
otros hongos.
El Leuconostoc es muy común en caña
quemada y su proliferación aumenta con
el tiempo entre quema – corte y
molienda.
Algunas observaciones
• El mayor nivel de microorganismos se
encuentran en cañas quemadas, antes del
corte.
• Niveles de dextranas y etanol en cañas
cortadas después de quema mayores que en
las caña cortadas sin quemar.
• Estudios de deterioro de caña quemada
muestra que es mayor en las cañas dejadas en
pie, que en las cañas sin quemar cortadas
inmediatamente y dejadas en pequeños
arrumes o chorras.
Pérdidas entre cosecha y molienda
Una visión de las pérdidas de sacarosa
entre cosecha y molienda
India
13 - 36 kg azúcar / t caña / día
Pakistán
12 kg azúcar / t caña / día
Brasil
8 - 10 kg azúcar / t caña / día
Colombia 10 - 15 kg azúcar / t caña / día
Fuente: S. Solomon. IASIT 2006.
Causas de las pérdidas de sacarosa
después de la cosecha
Variedad (Dureza de la corteza, contenido de cera)
Humedad y condición original de la caña
Practicas de precosecha (Quema de caña)
Método de cosecha (Corte manual / cosecha mecanizada)
Condiciones Atmosféricas (Temperatura, humedad y lluvia)
Tamaño de los trozos (Verde y Quemada)
Método de almacenamiento (Almacenamiento en campo, almacenamiento en
pilas)
Tiempo entre cosecha y molienda
Eficiencia de la unidad de procesamiento
Fuente: S. Solomon. IASIT 2006.
CAUSAS
Quema
Deterioro químico
Deterioro microbiano
EFECTOS
- Exudación
- Destrucción de
sacarosa
Condiciones ácidas
y acción de las
enzimas (inversión)
Formación de
dextranas y ácidos
orgánicos
Pérdidas de sacarosa entre corte - molienda
Pérdidas por:
Materia Extraña
PLANTA
N
So
F
S1
S2
S3
Pérdidas por: Pérdidas por:
Pérdidas por:
- Quema
- T. Permanencia
- T. Permanencia (vagones, patios)
(campo)
S MOLINOS
- Lavado
Posibles vías de la termólisis de la sacarosa y
formación de material coloreado
Reacción de Maillard
O
O
OH
OH
R - NH 2
NH - R
Sac aros a
Gluc osa
O
Polím e ros,
Ma ter ia l colore ado
O
O
O
Le vogluco seno na
O
C HO
5 - (hidroxim etil) - 2 - fura ld ehido
Fru cto sa
% Pérdidas sacarosa (por quema) : 0 – 6%
(equivale a un promedio de 0.5 unidades % de sacarosa)
EFECTO QUEMA
• Pérdidas promedias: 3% de la
sacarosa % caña.
Ej: 0.45 unidades para
sacarosa % caña de 15%
Cinética del deterioro
d[S]
= K [S]
dt
Lo cual mediante integración se transformaría en la ecuación:
St = So e -kt
G
O
F
Sacarosa (S)
G
+
F
Azúcares reductores
Cambios en la sacarosa (%, HPLC) por almacenamiento
de la caña entera Temperatura ambiente: 25 – 30
Variedad
Ecuación
Coeficiente de
Correlación (R)
MZC-74 - 275
St (%) = 22.3 e -0-0010 t 1
-0.93
V 7151
St (%) = 18.9 e -0-00055 t
-0.70
CC 87 - 434
St (%) = 16.6 e -0-0011 t
-0.95
PR 61 - 632 2
St (%) = 19.1 e -0-0014 t
-0.96
CC 85 - 92
St (%) = 19.6 e -0-00082 t
-0.91
1
t expresado en horas de almacenamiento
2 Variedad evaluada después de quema
Constantes de hidrólisis (k) y pérdidas de sacarosa por
hora de apilamiento de la caña en el campo
Temperatura 25 – 30 °C.
Variedad
MZC 74 - 275
V7151
CC 87 – 434
PR 61-632 2
CC 85 - 92
CC 85 - 68
CC 91 - 1999
CC 84 - 75
CC 93 - 3895
CC 93 - 38952
CC 92 - 2804
Promedio
1 Reducción
k
0.0014
0.0010
0.0010
0.0014
0.00089
0.00093
0.0008
0.0008
0.0008
0.00072
0.0013
0.0010
Pérdidas de sacarosa %
sacarosa en caña por hora
0.14
0.10
0.10
0.14
0.089
0.09
0.08
0.08
0.08
0.07
0.13
0.10
estimada en unidades de sacarosa % caña / hora.
2 Variedad evaluada después de quema.
Disminución en sac % 1
caña por hora
0.023
0.014
0.015
0.015
0.014
0.013
0.011
0.011
0.014
0.011
0.020
0.015
Seguimiento al deterioro de
variedades comerciales y
promisorias
Experiencias en Colombia
Resultados
Pérdidas de peso. Variedad CC 85-92
• Pérdidas / tallo / h
0.0018 (kg)
• Pérdidas / tallo / día
0.043 (kg)
• Pérdidas peso / hora
0.085 (%)
• Pérdidas peso / día
2.0 (%)
Pérdidas de sacarosa en campo
MZC 74-275 (Quemada)
Abril
Junio
Pérdidas SAC% Caña/Hora
0.021
0.018
Pérdidas SAC% SAC Caña/Hora
0.12%
0.10%
Rangos de pérdidas de sacarosa observados
en el campo, vagones y patios de fábrica
Tratamiento
Tiempo (Horas)
0
0-10
16-24
40-48
64-72
120-136
Apilamiento campo (%)
0
0
0-4.4
0.2-6.4
3.5-9.0
6.3-14.3
Apilamiento vagones(%)
0
0
1.1-6.1
6.3-7.0
7.7-12.0
12.5-14.0
Apilamiento patios (%)
0
0-6.0
6.0-18.0
--
--
Las mayores pérdidas de sacarosa ocurren
en los patios de la fábrica
--
Resultados
Pérdidas de Sacarosa
% Sac caña en
Patios de Fábrica
Pérdidas de Sacarosa
% Sac caña en campo
y equipos de transporte.
1 día de apilamiento en
5 días de apilamiento en
patios de Fábrica
(6.0 % - 16%)
 Campo
(6.0% - 14.0%)
Pérdidas de sacarosa
variedad CC 85-92
Pérdidas de sacarosa después de quema y corte
inmediato
Sac % caña = 15.1 – 0.024 x t (horas)
R2 0.50
Pérdidas de sacarosa de la caña quemada y dejada en pié
Sac % caña = 15.7 – 0.032 x t (horas)
R2 0.78
Fuente: Ingenio Colombiano
Resumen de resultados del deterioro de la caña después del corte
Experiencia Sudáfrica
Tiempo
(horas)
Quemada y corte inmediato
Sac %
Pureza %
Quemada y caña dejada en pie
Sac %
Pureza %
0
13.9
89.8
13.9
89.8
48
14.3
89.6
13.4
88.9
96
13.8
87.5
13.0
88.9
144
13.2
86.8
12.7
85.7
Formación de etanol como
indicador de deterioro
Horas de permanencia: 153 + 0.0214 x ETOH – 5.26 X T (°C)
Nota: 1000 ppm de etanol = 1% pérdidas en sacarosa
Análisis HPLC jugos de caña de azúcar
Efecto de los microorganismos
en los jugos y mieles
Inversión de sacarosa
Producción de azúcares reductores:
Glucosa y fructosa
Producción de Metabolitos:
Dextranas
Ácidos orgánicos
Alcohol
Principales microorganismos involucrados
en las pérdidas de sacarosa
BACTERIAS
Lactobacillus spp.
Pseudomonas spp.
Micrococcus
Bacillus spp.
Acetobacter
Enterobacterias
LEVADURAS
Saccharomyces cerevisiae
Candida spp.
Pichia
Hansenula
Rhodotorula
Leuconostoc mesenteroides
• 90% de las pérdidas
• Ubicuo del suelo: Penetra y prolifera
Dextransacarasa
Sacarosa
Dextrana +
D-Fructosa
H(Glucosyl)n-OH
• Metabolismo heterofermentativo
Dextrana 45%, biomasa 20%, ácido láctico, etanol, CO2
Principales metabolitos del Leuconostoc mesenteroides
Fuente: Eggleston y otros, USDA. USA, 2006
Problemas en el procesamiento causados por
microorganismos productores de polisacáridos
Pérdida directa de
sacarosa.
Incremento de la
viscosidad.
Deformación del cristal.
Pérdida de azúcar y
formación de melazas.
Penalidades.
Interrupciones en el
proceso (por el análisis).
Pérdidas de azúcar
• Un incremento de un punto en la pureza de las
melazas finales equivale a perder una libra de
azúcar (que se convierte en melaza) por cada
tonelada de caña procesada.
Pérdidas de sacarosa por L. Mesenteroides
• Producción de etanol: 5.17%.
• Cada ppm de dextrana formada
equivale a 0.0004 % de
sacarosa.
Sacarosa %
Etanol %
• Producción de dextranas: 8800
mg/L.
10.00
10000
8.00
8000
6.00
6000
4.00
4000
2.00
2000
0.00
0
0
2
Sacarosa %
4
6
8
Etanol %
10
12
24
Dextranas ppm
Dextranas mg/L
CONSUMO DE SACAROSA Y PRODUCCIÓN DE
DEXTRANAS Y ETANOL POR L. mesenteroides
Niveles de dextranas y pérdidas de sacarosa
en azúcares crudos (Bose, et al, 1981)
Dextranas
(%)
% sacarosa
perdida
(kg / t caña)
Fructosa
formada
(kg / t caña)
0.05
0.10
1.50
0.20
0.40
2.00
0.99
1.98
9.90
Consumo de sacarosa y producción de dextranas en
diferentes intervalos de tiempo.
Leuconostoc mesenteroides 3 A
Tiempo
(h)
1
5
15
Consumo de
sacarosa (g/L)
8.50
42.30
53.40
Producción
dextrana (g/L)
0.35
1.08
5.10
Dextrana
Porqué nos preocupamos por la dextrana?
Indicación de pérdida de azúcar; problemas con filtración, etc.
Cómo se puede controlar?
Procesar caña fresca y limpia, mantener buena higiene en la
fábrica, usar la enzima - dextranasa.
Empleo de biocidas.
Cambio en el hábito cristalino de la sacarosa en presencia de dextranas
Recuento de mesoaerobios, bacterias
lácticas y levaduras
6000
5350
5000
U.F.C. / mL
4000
3000
2000
600
1000
5.6
27
2.5
80
16
11.5
16
17.3
9
0
Quemada
1
Levaduras
Quemada
Báscula
2
Mesoaerobios
Bacterias lácticas
Caña
preparada
48
Materia Extraña
(“Basura”)
• Tierra / suelo
• Hojas verdes
• Hojas secas
• Raíces
• Matas no maduras
Materia Extraña
• Parámetro importante de la calidad de la caña, debido a los
impactos negativos en los procesos de producción de azúcar y
etanol.
• Se aumenta significativamente con el corte mecánico: se han
observado niveles superiores al 10% en la caña cosechada
mecánicamente.
Clases de materia extraña
• Origen vegetal (hojas, cogollos o puntas).
• Origen mineral (tierra, arena).
Las impurezas o materia extraña contribuye a
•
•
•
•
Reducir la capacidad de molienda.
Desgaste de los equipos.
Reducción del poder calorífico del bagazo.
Reducción de la producción de azúcar y alcohol.
Cogollos
H
o
j
a
s
Chulquines
Reducciones en SAC % caña y ARE % caña
Material
Caña limpia
Sac % Caña
ARE % Caña
15.0
13.0
Cogollos 1 (%)
- 0.13
- 0.15
Chulquines 1 (%)
- 0.05
- 0.07
Hojas (1%)
- 0.17
- 0.21
Tierras (1%)
- 0.22
- 0.30
Efectos de la materia extraña en los niveles
de fibra, sacarosa y azúcar recuperable
estimada (ARE) - Ensayos Cenicaña
Variedad CC 85 - 92
Fibra % caña = 15 + 0.80 (% m. mineral) + 0.06 (% m. vegetal)
Sac % caña = 15.4 – 0.17 (% m. mineral) - 0.12 (% m. vegetal)
ARE % caña = 14.0 – 0.22 (% m. mineral) - 0.13 (% m. vegetal)
Reducción en los porcentajes de extracción
de jugo (Ensayos de laboratorio – Cenicaña)
Materia
extraña
Extracción
%
0
82
5
81
10
79
20
75
Efectos de los cogollos y hojas en el color y contenido de
fenoles en jugos de caña de azúcar
Variedad MZC 74 - 275
Color Icumsa
(x103)
Fenoles (mg/L))
7.4
473
7.6
476
5%
8.4
488
% Incremento con 1%
2.7
0.6
% Incremento con 5%
13.5
3.2
% cogollos - hojas
0%
caña limpia
1%
Impacto general de la materia extraña (%)
M. EXTRAÑA
0
1
5
10
SAC %
CAÑA
A.R.E %
14.60
- 0.14
- 0.70
- 1.40
13
- 0.2
- 1.0
- 2.0
1 % de materia extraña (mezcla) = 1.5% pérdida ARE
FIBRA %
CAÑA
17
0.5
2.5
5.0
Efecto de la materia extraña suelos
en el poder Calorífico del Bagazo
En general el poder calorífico de la caña es afectado por los niveles de materia extraña
mineral suelo de manera lineal mostrando que por cada 1% de materia extraña mineral
suelo el poder calorífico del bagazo disminuye 65.22 BTU/Lb .
P.C = 7465.8 – 65.22M.E Suelo
Materia Extraña Suelo (%)
18
16
14
y = -0.01x + 76.608
12
R = 0.6463
2
10
8
6
4
2
0
6000
6500
7000
7500
Poder Calorífico (BTU/Lb)
8000
Relación de Materia extraña suelo con PC y Ceniza
Las cenizas y el poder calorífico son constituyentes del bagazo que se
comportan de manera inversa frente a concentraciones similares de materia
extraña mineral (suelos), lo cual los convierte en constituyentes
determinantes en la caracterización del bagazo como combustible.
18
16
7600
14
12
10
7200
7400
7000
6800
8
6
4
6600
6400
6200
2
0
6000
0
1
2
5
10
% Materia extraña (suelo)
Cenizas
P.C
15
Poder Calorífico
(BTU/Libra)
Cenizas (%)
PC vs Cenizas
Efecto de las cenizas en el poder calorífico
del bagazo de caña
Al analizar conjuntamente las variables poder calorífico y cenizas del bagazo
la dispersión de los datos dentro de las coordenadas cartesianas muestra una
relación lineal mostrando así una excelente correlación entre las dos variables
Poder Calorífico (Btu/Lb)
8000
7500
7000
6500
6000
0.00
y = -77.695x + 7868.2
R2 = 0.9346
5.00
10.00
15.00
Cenizas (%)
20.00
25.00
Impacto de los niveles de la materia extraña en el rendimiento
(Ingenio Castilla Industrial S.A.) Época de lluvia
11.6
11.5
11.4
y = -0.25 x + 11.75
2
R = 0.9542
11.3
% Rendimiento
11.2
11
10.8
10.9
10.8
10.6
10.4
10.2
≤ 3.0%
> 3.0 - ≤ 7.0
> 7.0 - ≤ 15.0
> 15.1
Rangos Materia Extraña
Fuente: Ingenio Colombiano
Impacto de la materia extraña en el rendimiento
(Ingenio Castilla Industrial S.A.) Época seca
12
11.9
11.8
y = -0.23 x + 12.15
2
R = 0.9888
11.7
% Rendimiento
11.6
11.5
11.4
11.2
11.2
11
10.8
≤ 3.0%
> 3.0 - ≤ 7.0
> 7.0 - ≤ 15.0
> 15.1
Rangos Materia Extraña
Fuente: Ingenio Colombiano
Conclusión general
Pérdidas ARE% / 1% Materia extraña
Ensayos de
Laboratorio
0.20
(1.5%)
Ingenio
A
Ingenio
B
0.20
(1.5%)
0.23
(1.6%)
Ingenio
C
0.14 - 0.19
(1.2% - 1.4%)
Conclusión general...
Pérdidas ARE% / Hora Tiempo Permanencia
Ensayos de
Laboratorio
0.014 - 0.021
(0.10%-0.12%)
Ingenio
A
0.012 - 0.014
(0.10%)
Ingenio
B
0.02
(0.14%)
Ingenio
C
0.0015 - 0.02
(0.01% - 0.15%)
Relaciones encontradas
Sacarosa (%) caña obtenida en ingenio = 15-0.20 (% ME)-0.012 (T)
Donde
ME = materia extraña
T = tiempo de permanencia
Impacto de la materia extraña en el color, almidones
y dextranas en jugos diluidos y meladuras
en un Ingenio Azucarero. Variedad CC 85-92
Tipo de
cosecha
N
Materia extraña
% (D.E.)
Color1 (D.E.)
(UI x 103)
Corte manual
(sin quemar)
10
5.1 (3)
Corte mecánico
13
16.4 (5.6)
Jugo diluido
Meladura
Almidones
(D.E.) (%)
Dextranas
(D.E.) (%)
Color (D.E.)
(UI x 103)
Almidones
(D.E.) (%)
Dextranas
(D.E.) (%)
8.9 (1.1) b
0.07 (0.03) b
0.03 (0.01) b
9.7 (0.7) b
0.22 (0.06) b
0.08 (0.01) b
12.5 (2.5) a
0.12 (0.03) a
0.51 (0.4) a
11.5 (1.0) a 0.35 (0.04) a
0.52 (0.14) a
1
Letras iguales indican que no existen diferencias significativas entre los valores promedios de cada columna
(prueba de Tukey)
N = Número de muestras (1 muestra compuesta / hora)
D. E. Desviación estándar
Cristales en la masa A
Cosecha mecánica
MASA A 9:50 (G) ABRIL 27
7
6
5
4
3
2
1
0
7
250 288 325 363 400 438 475 513 550 588 625 663 700 738 775 813 850 888 925 963
288 325 363 400 438 475 513 550 588 625 663 700 738 775 813 850 888 925 963 100
0
MASA A 9:50 (H) ABRIL
27
6
5
4
3
2
1
0
250 288 325 363 400 438 475 513 550 588 625 663 700 738 775 813 850 888 925 963
288 325 363 400 438 475 513 550 588 625 663 700 738 775 813 850 888 925 963 100
0
Variaciones de la sacarosa % caña (S)
durante 72 horas
Variedad. CC 85-92
VE
Corte
Manual
QE
TV
Corte
Mecánico
TQ
S = 15.0 - 0.020 x t (h)
2
R 0.99
S = 14.2 - 0.040 x t (h)
R2 0.76
S = 14.1 - 0.060 x t (h)
2
R 0.75
S = 14.3 - 0.060 x t (h)
2
R 0.85
Pérdidas de sacarosa en las
primeras 24 horas
Variedad. CC 85-92
Corte
Manual
Corte
Mecánico
VE
0.48 unidades (%)
3.2 % pérdidas de
sac % caña
QE
0.96 unidades (%)
6.8 % pérdidas de
sac % caña
TV
1.44 unidades (%)
10.2 % pérdidas de
sac % caña
TQ
1.44 unidades (%)
10.1 % pérdidas de
sac % caña
Dextranas en jugos de caña
a las 24 horas
1600
Dextranas (mg/L)
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
VE
QE
TV
Tratamiento
Corte Manual
Corte Mecánico
TQ
Verde (VE), Quemada (QE)
Verde (TV), Quemada (TQ)
Variedad. CC 85-92
Evaluación del impacto de la
infestación por diatraea spp.
en la producción y calidad
de la caña de azúcar
Resultados y Discusión
Efecto del porcentaje de intensiad de infestación
en la concentración de sacarosa para la variedad CC 93-3826
Sacarosa%Caña
16,0
y = -0.04x
+ 14.4
Y=14.4
- 0.04x
2
R2 = 0.61
R = 0.61
15,0
14,0
13,0
12,0
11,0
10,0
0
10
20
30
40
I.I %
50
60
70
80
Variación de la concentración de sacarosa % caña
por la intensidad de infestación
Indica que hay una reducción de 0.40 Kg sacarosa /
tonelada de caña por cada unidad de infestación.
Resultados y Discusión
Efecto del porcentaje de intensidad de infestación en el
ARE para la variedad CC 93-3826
14,0
y = -0,043x + 12,57
R2 = 0,62
Y=12.57-0.043x
R2 = 0.62
ARE
12,0
10,0
8,0
6,0
0
10
20
30
40
I.I %
50
60
70
80
Variación del azúcar recuperable estimada (ARE) por
intensidad de infestación
Por cada unidad porcentual de intensidad de infestación se pierden 0.043
unidades (%) de ARE, lo cual equivale a una reducción de 0.43 Kg de azúcar /
tonelada de caña por cada 1% de intensidad de infestación.
Resultados y Discusión
Concentración de antocianina monomérica
determinada por el método de pH-diferencial
Muestra
Concentración
(mg/100g)*
Caña de azúcar
con daño por Diatraea spp.
1,03
Caña de azúcar
sin daño por Diatraea spp.
0,07
Pigmento antocianina monomerica (mg/100 g) =
(A x MW x FD x 100)/ (ε x 1). Expresada en cianidina
* Promedio de 5 repeticiones
Parámetros de calidad
Convencionales
No
convencionales
Parámetros Convencionales
•
•
•
•
•
Polarización: Lecturas de Pol
Pureza
Azúcares reductores
pH
Acidez total
Parámetros No Convencionales
• Polisacáridos: almidones
totales y dextranas
• Etanol
• Acides volátil
• Oligosacáridos (difícil su
implementación en trabajos
de rutina)
• Fenoles totales
• Amino – nitrógenos
• Manitol
• Ácidos orgánicos
• Cationes
• Fosfatos
Diez recomendaciones para
reducir las pérdidas en la
cosecha de caña de azúcar
Fuente: S. Solomon. IASIT 2006.
Comunicación Eficiente
Estado de la
maduración
Gerentes
Campo
Fábrica
La caña madura es menos
subceptible al deterioro:
baja actividad de la invertasa
Suministro de caña fresca a fábrica
Tiempo 24 - 48 horas después
de cosecha
Incentivo para el suministro de
caña limpia
Mínimos daños de la caña durante la
cosecha, alce y transporte
El proceso de cosecha mecánica, cargue,
transporte y manejo de la caña en el molino
aceleran el proceso de deterioro
Registro de las perdidas
de azúcar (deterioro)
de las variedades
comerciales de caña en
los ingenios azucareros
Esto
ayudará
a
identificar
las
variedades que sean más o menos
propensas a la inversión.
Minimizar el tiempo entre molienda y cosecha
Se debe asegurar de que la caña se debe proveer en un plazo
de 24 a 48 horas después de la cosecha.
La primera caña deberá ser la primera caña en salir.
Mantener limpia el área de descargue y
alimentación en la fábrica
Almacenamiento de la caña en pequeñas pilas.
Aseo en los conductores y molinos de fábrica
Conclusiones
• La contribución de cada variedad en las pérdidas de sacarosa
puede determinarse utilizando el seguimiento cinético de la
inversión de la sacarosa.
• La variedad y condiciones de cosecha son factores que
influyen en el deterioro de la caña.
• Mayor pérdida de sacarosa por apilamiento en patios.
• Mayor impacto en las pérdidas de sacarosa y en la calidad del
azúcar se debe a la presencia de la materia extraña.
Conclusiones
• Pérdidas de sacarosa en el rango de 0.10 – 0.25 unidades (%)
por cada 1% de materia extraña se han observado bajo las
condiciones del Valle del Cauca.
• Pérdidas de sacarosa en el rango de 0.01 – 0.03 unidades (%)
por cada hora de demora entre corte – molienda.
• Se observó una reducción de 0.43 Kg de azúcar / tonelada de
caña por cada 1% de intensidad de infestación.
Conclusiones
• Se observó una reducción de 0.43 Kg de azúcar / tonelada de
caña por cada 1% de intensidad de infestación por Diatraea
spp.
• Se presentó una correlación estadística positiva entre la acidez
titulable y la intensidad de infestación, lo cual indica la perdida
de calidad de los jugos y un deterioro por el ataque del
insecto-plaga.
• Se presentó una correlación estadística positiva entre la acidez
titulable y la intensidad de infestación, lo cual indica la perdida
de calidad de los jugos y un deterioro por el ataque del
insecto-plaga.
Bibliografía
•
Chen, (1993). Cane sugar handbook. Twelfth, Edition, John Wiley & sons, Inc.
•
Clarke M.A., Roberts, E.J., Godshall, M.A., Brannan, M.A., Carpenter, F.G. and Coll,
E.E. (1980). Sucrose loss in the manufacture of the cane sugar. Proc. Int. Soc. Sugar
Cane Technol., 17: 2192-2203.
•
Egan, B.T.; Rehbein, C.A., 1963. Bacterial deterioration of mechanically harvested cup
up sugarcane during storage over weekends. Proc. Queensland Soc. Sugarcane Tech.
30:11-19.
•
Larrahondo, J.E; Orozco B.; Luna C.A.; Palma, A. E.; Moreno, C. A.; 1999, Economic
analysis of losses in sucrose content in sugarcane, using a non-destructive method.
India. ISSCT. pp 333-334.
•
Larrahondo, J.E. y Briceño Beltrán, C.O. 2004. Una aproximación a la reducción de las
pérdidas de sacarosa entre cosecha y molienda en el sector azucarero colombiano.
Cali: Cenicaña. 22 p. (Serie de procesos Industriales No.3)
Bibliografía
•
Lionnet. G.R.E,. 1986, Post – Harvest Deterioration of whole stalk sugarcane.
Proceedings of the South African Sugar Technologist´s Association – June 1986 p. 5257. Durban South Africa.
•
Irvine, J. E.; Legendre, B. L., 1973. Deterioration in whole and chopped sugarcane.
Proc. 1973 Meetings of ASST. pp. 174 – 181.
•
Osorio, L. F; Canabillas, M. L.; Montoya, P.; Larrahondo, J. E.; Castellar, N., 1997.
Evaluación de pérdidas de sacarosa entre corte y molienda en el Ingenio Sancarlos.
En: Congreso de la sociedad colombiana de técnicos de la caña de azúcar, 4.
Memorias Tecnicaña, V2, pp. 1 – 9. Cali, Colombia. 24 – 26 de Septiembre de 1997.
•
Wood, R. A., 1973. Deterioration losses. Burnt cut vs. burnt standing cane. Proc.
South African sugar technologists Ass. V.47, pp. 140 – 143. 1997.
G RAC IAS