Dinámica del proceso de extracción de jugo a compresión de la caña de azúcar para la producción de panela

M. Sc.  Alexander Díaz,^I  Dr. C.  Ciro E. Iglesias^II

RESUMEN

El presente trabajo reporta los resultados obtenidos en el proceso de compresión uniaxial y no confinada de tallos de caña de azúcar, en el proceso de extracción de jugo para la producción de panela. Se caracteriza experimentalmente el proceso de compresión, la cual se efectuó con tres superficies diferente, utilizando una maquina universal de ensayos. Se  obtienen los valores de carga en función de la deformación de la caña, se identifican y analizan las diferentes etapas del proceso.

Palabras clave: caña de azúcar, compresión uniaxial, extracción de jugo.

This paper refers to the results of the compression process on the sugar cane juice extraction for the panela production. Such compression process was tested on three different areas by using a universal test machine. Load values depend on the sugar deformation. The different process stages are identified and analyzed.

Key words: sugar cane, uniaxial compression, juice extraction.

El cultivo de la caña de azúcar es una actividad agrícola de gran importancia socioeconómica en el mundo. En Colombia, dentro de los cultivos permanentes, ocupa el segundo lugar en extensión con 249 384 hectáreas, después del café (Minagricultura, 2004). Del área total cultivada, el 61% se dedica a la producción de panela; el 32% a la producción de azúcar, y el 7% a mieles, guarapos y forrajes. La producción de panela es una de las principales actividades agrícolas de la economía colombiana, entre otras razones por su participación significativa en el producto interno bruto (PIB) 7,3% agrícola, porque es fuente de ingresos para más de 70 000 familias de productores de caña de azúcar y por la generación de empleo rural una vez vincula cerca de 350 000 personas.

El método de extracción de jugo usado en Colombia es el de la compresión, la que se realiza con molinos de rodillos cilíndricos, en el cual al comprimir la caña se  disminuye su volumen, la presión interna aumenta y el jugo es separado y extraído de la fibra. La eficiencia en la extracción (e) de jugo se mide en relación a la masa de jugo extraído (m_j) por masa de caña molida (m_c), la literatura existente considera satisfactorias extracciones entre 58…63%, no obstante investigaciones de campo, indican que estos valores son fácilmente alcanzados con equipos en condiciones de desgaste elevado. No se conocen estudios previos que justifiquen los limites en el valores de extracción de jugo, pero en términos prácticos se relacionan con los limites de resistencia de los equipos (pandeo de ejes, rotura de masa y apoyos) y el consumo de potencia, se cree empíricamente que para valores de extracción mayor se verá afectada la calidad del jugo.

Pese a la importancia socioeconómica del producto, en Colombia se carece de fundamentación teórico experimental, relacionada con el proceso de compresión de tallos de caña para la extracción de jugo. En el proceso de compresión las tareas principales se pueden enunciadas como: aplicación de carga hasta la rotura de la corteza y la fibra, aumentar la carga hasta alcanzar el límite elástico de la caña y por ultimo extraer el jugo contenido en ella, la característica principal del proceso relaciona la carga aplicada y la deformación de la caña. La caracterización y conocimiento de este proceso permitirá conocer la respuesta mecánica a la compresión, se obtendrán los valores de carga y deformación de la caña, de gran importancia en la fundamentación del diseño de molinos de mayor eficiencia para la extracción de jugo.

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La obtención experimental de modelos matemáticos que relacionen la dependencia entre la carga aplicada y la deformación de material vegetal durante el proceso de compresión, ha sido estudiada por diferentes autores Maikovcki (1964), Makhov (1969) y Muller (1964).

Algunos autores Adapa (2009), Mani (2004), Mazzu (2007) y Nehru (2010), han realizado investigaciones experimentales de la dinámica del proceso de compresión de masas vegetales, evaluando los requerimientos energéticos y confrontados diferentes modelos utilizados para representar el proceso.

En la última década Britton (2003), Kannapiran (2003), Lougram (2002) y Plaza (2002), han reproducido y mejorado los experimentos  de compresión de caña preparada, realizados por Noel Derr a comienzos del Siglo pasado.

MÉTODOS

Los ensayos se realizaron en el Laboratorio de Resistencia de Materiales de la Universidad Tecnológica de Pereira, Republica de Colombia. Se utilizaron muestras de caña de la variedad POJ 28-78, tomadas en la finca la Floresta Vereda Tribunas Consota de la ciudad de Pereira-Colombia. Se recolectaron muestras de cañas en óptimo estado de madurez, se cortaron probetas de nudo y entrenudo de 80 mm de longitud y diámetros promedio de 30 mm.

Las pruebas de compresión uniaxial se realizaron en una máquina universal de ensayos IBERTEST Mod. UMIB-60-SW, se utilizaron tres superficies de compresión: superficie lisa (SL), superficie ranurada (SR), superficie en V (SV) (Figura 1). Los aditamentos fueron construidos en acero A36. Los ensayos se realizaron a una velocidad de avance de 1,67 mm/s, se comprimieron cañas enteras en dirección perpendicular a la fibra.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La realización de los ensayos de compresión uniaxial con las superficies de compresión definidas, se identifico cuatro etapas existentes en el proceso:

•          Etapa de deformación elástica I;

•          Etapa de fractura continua;

•          Etapa de deformación elástica II; ]]>

•          Etapa de deformación plástica.

Etapa de deformación elástica I:

Esta etapa se caracteriza por la elasticidad de la corteza de la caña, la relación entre la carga y la deformación es lineal (Figura 2). Carece de variación volumétrica y no se presenta extracción de jugo. Es una zona de bajo requerimiento energético, la deformación elástica es inferior a 2 mm y la carga no supera los 1,6 kN.

Etapa de fractura continua

Superado el límite elástico la corteza se fractura y la carga decrece, iniciando una fractura sucesiva de la caña debido a la rotura de los enlaces de las fibras que la constituyen, ocasionando inestabilidad en la carga aplicada, la deformación de la caña aumenta sin incremento considerable de la carga (Figura 3). Es la zona de mayor deformación de la caña, no se presenta cambio volumétrico ni extracción de jugo, la caña se reorganiza en trozos más pequeños.  

Etapa de deformación elástica II

Una vez se reorganizan los trozos de caña, termina la zona de fractura y esta adquiere  nuevamente la capacidad de oponerse a ser deformada, la carga crece linealmente con respecto a la deformación (Figura 4). La presión interna de la caña aumenta debido a la resistencia del jugo a ser separado de la fibra, la variación volumétrica y la extracción de jugo son prácticamente nulas, el aumento de carga es cercano a los 6 kN. 

Etapa de deformación plástica

La relación carga deformación crece rápidamente a medida que la caña es deformada, la presión al interior de la caña se incrementa, el jugo es separado y extraído de la fibra. Se observa una disminución acelerada del volumen de la muestra debido a la extracción del jugo, se presenta un comportamiento de deformación plástica de la caña y la carga crece abruptamente (Figura 5).

Siendo la extracción de jugo un proceso volumétrico, se construyo un grafico de deformación en función del tiempo (Figura 6). Lo que muestra la existencia del punto límite de deformación, punto a partir del cual el cambio volumétrico y la extracción de jugo es mínima en comparación con el incremento de carga.

La Figura 7, muestra el porcentaje de energía consumida en cada una de las etapas de compresión. El mayor consumo de  energía se presenta en la etapa de deformación plástica, la energía restante es consumida por las otras restantes del proceso, en lo que se puede denominar etapas de preparación de la caña, consistente en la exposición de la fibra para extracción del jugo.

CONCLUSIONES

·         Se evidencio la existencia de cuatro zonas en el proceso de compresión de caña con extracción de jugo, las cuales son independientes del tipo de superficie utilizada. El proceso se divide en dos fases: una primera fase de preparación que agrupa las etapas de deformación elástica I, fractura y elástica II y una segunda fase de extracción constituida por la etapa plástica. La energía consumida en la etapa de extracción de jugo es mucho mayor que la energía requería para romper las fibras,

·         Se obtiene el punto límite de deformación, a partir del cual la disminución volumétrica de la caña es prácticamente nula. Incrementos de carga superiores a este punto producen pérdidas de energía y sobrecarga en los equipos.

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