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1. INTRODUCCIÓN
Debido a los efectos negativos en la salud, los consumidores buscan cada vez más alternativas al azúcar refinado, impulsando un aumento global en la demanda de sustitutos naturales del azúcar [1]. En este contexto, el azúcar de caña no centrífugo (NCS, por sus siglas en inglés) surge como un edulcorante natural crucial en los países en desarrollo [2]. El NCS, un producto sólido no refinado procedente de la concentración del jugo de caña de azúcar es considerado por los consumidores como una opción más saludable y segura en comparación con el azúcar refinado [3], [4]. El proceso de producción se inicia con la extracción del jugo de caña de azúcar mediante trituración mecánica, seguido de la eliminación de impurezas y clarificación [5]. Posteriormente, el agua se evapora abiertamente hasta alcanzar una concentración de 88-94ºBrix, lo que resulta en un producto caramelizado caliente que se solidifica al enfriarse [1], [6], [7].
El NCS tiene un alto contenido de microcristales de sacarosa (85 %), junto con un 7 % de azúcares reductores (glucosa y fructosa). Además, tiene una gran cantidad de minerales, incluido potasio (531 mg/100 g), calcio (103 mg/100 g) y fósforo (58 mg/100 g), y vitaminas E (56 mg/100 g) y C (4 mg/100 g). También contiene ácidos orgánicos, 67 aminoácidos y antioxidantes flavonoides y su color varía según el pH y la presencia de flavonoides en la caña de azúcar [8], [9]. En función de la composición de los elementos constitutivos, la panela se puede considerar como un alimento funcional, sin embargo, se requiere mayor investigación para mejorar y fortalecer el uso de NCS [10].
El NCS es un edulcorante tradicional mínimamente procesado reconocido por la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO, por sus siglas en inglés). Es un producto sólido y sin refinar, con un sabor y aroma únicos [11], además, debido a su bajo costo, es una fuente fácilmente accesible de energía y nutrientes, particularmente para las personas de bajos ingresos que viven en áreas rurales donde se produce [2]. La panela, también conocida como "chancaca" o "raspadura" en algunos países de América Latina, es un tipo de azúcar integral natural que no se centrifuga ni refina [12]. Colombia produce alrededor de dos millones de toneladas anuales de panela [13], este volumen equivale al 48 % del área total sembrada con caña de azúcar en el país [14]. Colombia es el segundo país productor de NCS después de la India [15] y ocupa el primer lugar a nivel mundial en términos de consumo [16]. En la actualidad, la producción mundial de NCS es de alrededor de 12,000 kt/año y los mayores productores son India (60 %), Colombia (14,9 %) (0,95 kg ACN/45 kg de jugo), Pakistán (5 %), China (3,9 %) y Brasil (3,7 %) [17]. El NCS, apreciado por su valor nutricional, se consume a nivel mundial como edulcorante o ingrediente en diversos productos alimenticios y bebidas [4]. Son precisamente sus propiedades nutracéuticas, atribuidas a los compuestos fenólicos característicos de los productos mínimamente procesados de caña de azúcar, las que juegan un papel fundamental en la aceptación del consumidor. Además de su valor como edulcorante, el NCS conserva minerales y vitaminas presentes en la caña de azúcar, como calcio, hierro y potasio. Estos nutrientes, junto con los compuestos fenólicos, le confieren propiedades antioxidantes y antiinflamatorias que se asumen que tienen beneficios para la salud.
La provincia de Pastaza en el Ecuador es una de las principales productoras de caña de azúcar, con una superficie cultivada de 6,354 hectáreas [18]. Sus derivados, como panela en bloques y granulada, representa el 10,35 % de la producción de panela a nivel nacional debido a sus 10 fábricas con tecnología mejorada [19]. La innovación de la tecnología genera una mejor calidad del producto, una mayor eficiencia de producción y un menor impacto ambiental, es decir, mayor competitividad y sostenibilidad socioambiental [20]. La industria panelera en Ecuador se está modernizando, un proceso destinado a mejorar la competitividad del sector y garantizar su sostenibilidad a largo plazo, pero en la provincia persisten 78 pequeñas fábricas que se oponen al cambio tecnológico y continúan con el uso de la tecnología tradicional, como extracción de jugo de caña en trapiches de masa y evaporadores abiertos en hornillas horizontales con fuente de energía de bagazo, leña, o una combinación de ambos; esta tecnología tradicional presenta baja eficiencia energética [21], [22].
El estudio tuvo como objetivo evaluar alternativas tecnológicas para el aprovechamiento del vapor de agua y la energía total que genera el sistema de producción de panela. Se realizó un balance de masa y energía en cada etapa del proceso, con el fin de analizar el problema del bajo rendimiento energético en estos sistemas artesanales. El uso de equipos eficientes para la transferencia de energía reducirá los impactos negativos y la contaminación ambiental, satisfaciendo la demanda energética del sistema. Se propone utilizar diésel, bagazo de caña de azúcar y otros productos de la biomasa renovable como combustible en un sistema de caldera mixta. La implementación de estas tecnologías permitirá reducir las emisiones contaminantes y un producto final de mayor calidad, libre de cenizas y partículas de la combustión. La mejora del rendimiento energético en la producción de panela es una alternativa viable para mejorar la sostenibilidad del sector.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Proceso
El estudio se llevó a cabo en dos etapas.
Evaluación de la eficiencia energética en un sistema de caldera:
Se realizó en el laboratorio de agroindustrias de la Facultad de Ingeniería Agroindustrial de la Universidad Estatal Amazónica. Se analizó el aprovechamiento del vapor generado por el sistema de caldera para la producción de panela.
Evaluación de la eficiencia del sistema tradicional de hornillas:
Se realizó en 36 de las 78 pequeñas fábricas de panela que utilizan este sistema en la provincia de Pastaza, Ecuador. La selección de las fábricas se realizó mediante un proceso aleatorio y con la participación activa de las asociaciones de cañicultores y paneleros de la provincia de Pastaza.
Esta investigación permitió obtener información de los mecanismos y medios de operación de los procesos, fundamentalmente de las eficiencias energéticas de dos sistemas de producción de panela: uno moderno con caldera y otro tradicional con hornillas. Los resultados del estudio pueden ser utilizados para mejorar la eficiencia energética en la producción de panela y contribuir a la sostenibilidad del sector.
2.2 Selección de las materias primas y del material para la combustión
La selección de la caña de azúcar para la producción de panela se realizó de acuerdo con la metodología propuesta por [23], quien determinó que esta operación es de gran utilidad en la actividad productiva de la agroindustria panelera. La caña de azúcar al tiempo de cosecha debe encontrarse fisiológicamente en una óptima madurez, entre 16 y 24ºBrix, lo cual se determinó mediante un refractómetro de bolsillo. ºBrix es la cantidad de sólidos solubles en solución. El grado de madurez está en dependencia de la edad de las plantaciones y del número de sequías (drenajes). Por las condicionales edafoclimáticas de la Amazonía ecuatoriana, estas pueden retardar o acelerar la maduración de la caña. Además, se consideraron otras variables agronómicas como el grosor del tallo, la limpieza del mismo (libre de hojas y materiales extraños) y el almacenamiento, que no debe ser mayor a 24 horas al tiempo de procesamiento. Es importante destacar que la selección de la caña no es un proceso aislado, sino que debe estar integrado con las demás etapas de la producción para garantizar la calidad de la panela.
Para fortalecer la información, en el presente estudio también se aplicó una encuesta a 36 productores de panela con el objetivo de conocer su experiencia en cuanto al grado de madurez de la caña y su rendimiento productivo por variedad. La encuesta categorizó el estado de la caña en tres estratos: bueno, regular y malo. A partir de esta clasificación, los productores, en función de su experiencia, indicaron qué variedad de caña tiene mejor rendimiento en producción. Esta información fue valiosa para complementar la selección de la caña de azúcar, puesto que no solo se considera el estado de madurez, sino que, también, la experiencia de los productores en cuanto al rendimiento de las diferentes variedades de caña, en función de los manejos de los cultivos.
De esta manera, se seleccionó la variedad de caña de azúcar con el mejor rendimiento en producción, lo que se traduce en unos mayores ingresos económicos y un mayor desarrollo socioeconómico de los cañicultores.
2.3 Variables para el balance termodinámico
Para evaluar el aprovechamiento energético de los sistemas de caldera mixta y hornillas se analizaron las siguientes variables durante las diferentes etapas de cocción de la panela: temperatura, masa de vapor producido, masa de jugo de caña de azúcar y su concentración en grados °Brix. Esto permitió determinar el consumo de combustible, un parámetro esencial para el análisis energético del proceso de producción de panela. La evaluación se realizó siguiendo el esquema presentado en la Figura1.
2.4 Balance de masa y energía
Para comparar la eficiencia energética de las dos tecnologías (caldera mixta y hornillas) se realizaron balances de masa y energía. En el caso del sistema tradicional, se consideraron las diferentes biomasas utilizadas como combustible: madera de pigüe, bagazo de caña, aserrín, etc.
Las etapas de evaporación y concentración de los jugos consisten en eliminar el agua presente en el jugo mediante la transferencia de energía térmica. El contenido de sólidos solubles al inicio de esta fase estaba entre 16°Brix y 22°Brix, y al final se alcanzaban concentraciones entre 90°Brix y 94°Brix, llegando al punto de miel. Las mieles alcanzan una temperatura promedio de 120 °C. Las ecuaciones de balance de masa y energía para los dos sistemas se presentan en las Tablas 1 y 2.
Tabla 1 Ecuaciones de balance de masa y energía en la producción de panela para el sistema tradicional (hornillas)
| Ecuaciones | Referencia | |
| Balance de masa |
|
[24] |
| Balance de masa en función de °Brix |
|
[22] |
| Calor consumido en el proceso |
|
[25] |
| Calor específico en función de °Brix |
|
[26], [27] |
| Calor total consumido en los procesos |
|
|
| Calor cedido por los combustibles |
|
[25] |
| Balance de calor cedido por los combustibles |
|
|
| Pérdidas de gases calientes por la chimenea (30º%) |
|
[28] |
| Pérdidas por combustión incompleta (4,5 %) |
|
[28] |
| Pérdidas por paredes y piso del ducto (7 %) |
|
[28] |
| Eficiencia térmica |
|
[25] |
Fuente: elaboración propia.
Tabla 2 Ecuaciones de balance de masa y energía en la producción de panela para el sistema de caldera
| Ecuaciones | Referencia | |
| Balance de masa |
|
[24] |
| Balance de masa en función de °Brix |
|
[22] |
| Calor específico en función de °Brix |
|
[26] |
| Calor consumido en el proceso |
|
[29] |
| Cálculo de la masa de vapor |
|
[30] |
| Calor total consumido en los procesos |
|
|
| Calor cedido por los combustibles |
|
[25] |
| Eficiencia térmica |
|
[25] |
Fuente: elaboración propia.
Se utilizaron 2000ºkg de caña de azúcar recolectada en los campos de la provincia de Pastaza. La caña se seleccionó en función del índice de madurez, color y grosor de los tallos, siguiendo los criterios establecidos por [31].
En la Tabla 1 se encuentran las ecuaciones de cálculo para el balance de masa y energía del sistema tradicional. La Tabla 2, por su parte, presenta otro conjunto de ecuaciones para el balance de masa y energía, utilizadas en el sistema de caldera como innovación tecnológica en la producción panelera de la provincia de Pastaza.
Los poderes calóricos de los residuos o subproductos forestales utilizados como fuentes de energía en el sistema de producción de panela se muestran en la Tabla 3.
Tabla 3 Poder calorífico de algunos residuos
| PCS = Poder calorífico superior | PCI =Poder calorífico inferior | |
|---|---|---|
| (kJ/kg) | (kJ/kg) | |
| Madera seca pigüe | 4450 | 4130 |
| Madera verde pigüe | 3780 | 3430 |
| Serrín húmedo pigüe | 2000 | 1788 |
| Serrín seco | 3500 | 3120 |
| Viruta seca | 3200 | 3125 |
| Biomasa, residuos industriales urbanos y otros | 1309 | 800 |
Fuente: adaptada de [32].
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Selección de materias primas y preferencia de los productores por variedad de caña de azúcar en función de calidad, rendimiento y consumo
En la Tabla 4se incluye el estado de las dos variedades de caña empleadas, categorizadas por los 36 productores encuestados. Destaca que el 55,56 % de los productores calificaron la variedad Limeña como buena, con base en su experiencia, frente al 50 % que indicaron lo mismo para la variedad Puerto Rico. En cuanto a la calidad del jugo obtenido, medida por su contenido en azúcar expresado en grados °Brix, la variedad Limeña fue la que dio mejores resultados, con un 47,22 % de productores encuestados que la calificaron como buena, frente a un 38,89 % que dijeron lo mismo para la variedad Puerto Rico. La variedad Limeña también destacó entre los encuestados por su constitución suave, lo que la hace más preferida para el consumo humano, con un mejor rendimiento en la producción de jugo y un mejor producto final, así como por su facilidad de venta.
Tabla 4 Calificación por los productores encuestados del estado de la caña de azúcar y del jugo empleados como materias primas además de los materiales de combustión utilizados
| Diagnóstico energético | Estado de madurez de las variedades de caña % | Calidad del jugo obtenido | Calidad del combustible utilizado en las hornillas % | ||||
| Categoría | Puerto Rico | Limeña | Puerto Rico 16,25 ᵒBrix | Limeña 17,13ᵒBrix | Bagazo de caña | Madera y astilla de pigüe | Aserrín de pigüe |
| Bueno | 50,00 | 55,56 | 38,89 | 47,22 | 15,79 | 55,56 | 50,00 |
| Regular | 33,33 | 27,78 | 50,00 | 38,89 | 57,89 | 33,33 | 36,11 |
| Malo | 16,67 | 16,67 | 11,11 | 13,89 | 26,32 | 11,11 | 13,89 |
| Total | 100,00 | 100,00 | 100,00 | 100,00 | 100,00 | 100,00 | 100,00 |
Fuente: elaboración propia.
3.2 Recurso forestal utilizado como fuente de energía
En la Tabla 4 se incluyen los resultados de la cantidad y calidad de la biomasa utilizada como fuentes de energía o combustible en hornillas. Se determinó que la madera empleada es fundamentalmente astillas y serrín de pigüe, cubriendo aproximadamente el 95 % de las necesidades energéticas en el proceso actual de producción de panela. Al ser el pigüe (Piptocoma discolor) la cual pertenece a la familia Asterácea, una especie considerada de rápido crecimiento e invasora en los bosques húmedos tropicales de la Amazonía ecuatoriana [33], el empleo de esta biomasa en el proceso de producción de panela es atractivo en los sistemas tradicionales. Sin embargo, en la actualidad, la madera de pigüe es muy apetecida por las industrias madereras [34]-[36], implicando en un corto plazo incremento de precios de la especie forestal lo que la ubicaría fuera del alcance de los pequeños productores.
3.3 Sistemas de evaluación energética
En la Tabla 5 se presenta el consumo de energía y el rendimiento energético en cada uno de los procesos que intervinieron en la elaboración de la panela para las variedades de caña estudiadas, empleando las tecnologías de hornilla y caldera mixta. El consumo de energía fue muy similar en las dos variedades de caña de azúcar empleadas. En hornillas, el consumo fue de 5612,75 MJ/kg para la variedad Puerto Rico y 5612,50 MJ/kg para la variedad Limeña. En calderas, se encontró un consumo de 7347,5 MJ/kg para la variedad Puerto Rico y 7347,08 MJ/kg para la variedad Limeña.
Tabla 5 Consumo y aprovechamiento de la energía en los procesos de producción de la panela
| Energía | Hornillas | Calderas | ||||||
| Puerto Rico | Limeña | Puerto Rico | Limeña | |||||
| Q (MJ/kg) | % Ɛ | Q (MJ/kg) | % Ɛ | Q (MJ/kg) | % Ɛ | Q (MJ/kg) | % Ɛ | |
| Energía consumida | 2600,25 | 27,1 | 2574,1 | 26,83 | 2817,64 | 32,02 | 2811,06 | 31,95 |
| Energía desaprovechada | 3012,5 | 31,4 | 3038,4 | 31,67 | 4529,86 | 51,48 | 4536,02 | 51,55 |
| Energía perdida (paredes, chimenea, convección y purga) | 3981,48 | 41,5 | 3981,48 | 41,5 | 1451,87 | 16,5 | 1451,87 | 16,5 |
| Energía neta consumida | 5612,75 | 58,5 | 5612,5 | 58,5 | 7347,5 | 83,5 | 7347,08 | 83,5 |
Fuente: elaboración propia.
3.4 Tecnología tradicional
Los resultados de eficiencia energética del sistema de hornillas fueron de 58,5 %, independiente de la variedad de caña de azúcar. Este valor es similar al reportado por [37] quienes en su estudio reportaron eficiencias que variaron entre: 32,53 % considerada como eficiencia baja, 42,59 % regular, 47,52 % media y 63,36 % alta. De estos resultados se puede indicar que los procesos energéticos en sistema de producción de panela no son distintos de otros países.
En las centrales o trapiches paneleros tradicionales, la energía requerida para los procesos de evaporación y concentrado de los jugos de caña es suministrada en forma de calor obtenido por combustión de biomasa forestal (leña de pigüe y bagazo) en lecho fijo. La eficiencia de estos depende mucho del diseño y construcción del tipo de hornos utilizados para tal propósito (hornillas paneleras), los cuales son construidos de forma empírica sin criterio energético. En [38] se presenta una innovación en las cámaras de combustión para usar bagazo de caña pre-seco. La innovación está compuesta por un conjunto de calderas que bajan de nivel a medida que se va purificando el jugo y con una chimenea de similar altura a las tradicionales. Esta versión mejorada se conoce como cámara Ward-CIMPA, la cual alcanza temperaturas de combustión de 1200 ºC y es amigable con el medio ambiente, al integrar el uso de bagazo con liberaciones del 1 % de monóxido de carbono (Figura 2). Independiente de las mejoras, se indica que la pérdida de calor es del 41 %, siendo un punto crítico del proceso que predomina en la agroindustria panelera. Este valor es muy similar a los obtenidos en este estudio que es de 41,5 % de pérdidas de calor. Según [39], es fundamental la modernización del sector de NCS de una pequeña escala a una transformación integrada a gran escala en términos de producción mediante intervenciones técnicas rentables y energéticamente eficientes, junto con mejoras tecnológicas en términos de calidad de NCS.
Fuente: [38]
Figura 2 Esquema de hornilla panelera con cámara de combustión tipo Ward-CIMPA, ducto de gases y chimenea
3.5 Tecnología de caldera mixta
La Tabla 5 muestra los resultados de eficiencia del sistema de caldera para las dos variedades de caña de azúcar, la cual fue del 83,5 %. Las calderas son sistemas de combustión de alta eficiencia, y se recomienda que el sector panelero utilice calderas mixtas porque pueden utilizar recursos forestales o desechos agroindustriales y diésel como combustibles para generar calor y vapor. Debido a sus ventajas socioambientales, este tipo de calderas se utiliza frecuentemente en la industria azucarera, y la tecnología también se adapta a la producción de panela o azúcar no centrifugado. Los hallazgos del presente estudio contrastan con los de [39], que reportaron valores de eficiencia energética del 77,01 %. Además, indican que las pérdidas de recursos energéticos y financieros son causadas por el agua de reposición a la caldera, y el bagazo gastado por pérdida de calor (desaprovechamiento del calor sensible de condensación, purgas, fugas y ausencia de aislamiento).
La energía consumida en los procesos de elaboración de panela fue de 2600,25 MJ/kg en el sistema de hornilla y de 2817,64 MJ/kg en el sistema de caldera. La energía perdida fue del 41,5 % en el sistema de hornillas, mientras que en el sistema de caldera mixta solo llegó al 16,50 %. Esta diferencia se debió a la estructura de los sistemas, por lo que fue necesario tomar en cuenta las pérdidas de energía por paredes, chimenea, radiación, convección y purga. Estos resultados se contrastan con el estudio de CORPOICA - SENA [13], que reportó pérdidas de energía global del 40 % a través de paredes y chimenea en sistemas tradicionales.
Las pérdidas por radiación y convección se estimaron en un promedio de 1 % de la energía total, mientras que las pérdidas por purga se estimaron en un 2,5 % de la energía total en los sistemas tradicionales. En la caldera se consideraron pérdidas por radiación y convección de alrededor del 2 % de la energía total, y las pérdidas por purgas se estimaron en un 5 % de la energía total, lo que coincide con estudios previos realizados [40].
El máximo aprovechamiento del consumo de energía en los procesos de clarificación, evaporación y concentración, más la energía remanente o sobrante, fue de un 58,50 % en el sistema de hornillas y de un 83,50 % en el sistema de caldera, resultados muy similares a los obtenidos por [38], quienes indicaron que, en lugar de la evaporación en cuba abierta, las unidades modernas de producción de NCS emplean una caldera con camisa de vapor alimentada por una caldera que opera con bagazo, mejorando así la eficiencia de la producción de NCS entre 2,5 y 3 veces. Lo anterior demuestra la factibilidad del uso de sistemas de calderas que, a pesar de consumir mayor energía (7347,5 MJ/kg) que el sistema de hornillas (5612,75 MJ/kg), hace un uso más racional de la misma, desaprovechando solo 1451,87 MJ/kg, mientras que el sistema tradicional desperdicia 3981,48 MJ/kg.
Es fundamental destacar que la diferencia en el aprovechamiento de energía entre los dos sistemas reside en la forma en que se utiliza el calor generado durante la combustión. En el sistema de hornillas, una gran parte de calor se pierde por radiación y convección al ambiente, mientras tanto el sistema de caldera, el calor es aprovechado de manera más eficientemente para generar vapor y calentar el jugo de caña de azúcar. También, el uso del bagazo como combustible en el sistema de caldera permite aprovechar un subproducto de la producción de caña de azúcar, lo que favorece a la sostenibilidad del proceso.
4. CONCLUSIONES
Desde el punto de vista energético, la comparación de los sistemas de hornilla tradicional y de caldera mixta, permitieron la determinación del porcentaje de aprovechamiento de la energía y las pérdidas en todo el sistema global de producción de panela. Se cuantificó un ahorro de 2529,61 MJ/kg en el sistema de calderas frente al sistema tradicional, lo cual indica que, técnicamente entre los dos sistemas estudiados, el mejor sistema de producción de panela es el de caldera mixta por brindar un mayor aprovechamiento de la energía (83,5 %) y un producto de mayor calidad para el consumo humano.
Se determinó y seleccionó un equipo del tipo de caldera mixta con capacidades de aprovechar el residuo cañero más conocido como bagazo de caña. De esta manera se mejoró la eficiencia y transferencia de energía para prevenir los impactos negativos en la calidad del producto, y que contribuya al medio ambiente con la satisfacción de la demanda energética del sistema de producción de la agroindustria panelera.
El aprovechamiento del bagazo de la caña de azúcar y otros productos de la biomasa energética renovable como combustibles, que es una etapa inicial que complementa con el diésel para el encendido del equipo, justifica su denominación como sistema de caldera mixta. La implementación de estas tecnologías permitió reducir las emisiones contaminantes y obtener un producto final de mayor calidad. Esté sistema permitió la mejora del rendimiento energético en la producción de panela como una alternativa viable y sostenible para el sector.
