La demanda industrial de Azúcar Refinado en México es del orden de los 2.2 millones de toneladas por año (el 44% de la producción nacional), de este monto, la Industria Embotelladora (Refrescos), mantiene una demanda aproximada de 1.8-2.0 millones de toneladas. Hasta el 2001, el Jarabe de Maíz de Alta Fructosa (JAMAFA), cubrió un espacio importante de la misma: 250 mil producidas domésticamente y 250 mil importadas (500 mil en total). A partir del 2002 y después de la decisión del Congreso de afectar con un Impuesto Especial sobre Producción y Servicios (IEPS) a los refrescos que usaran JAMAFA (25%), la demanda de Azúcar Refinado se vio incentivada, incrementándose en un volumen similar al del JAMAFA utilizado. En base a esto, se propuso a Ingenio San José de Abajo, la Investigación y Desarrollo de Proceso para implementar una Refinería que produjera Azúcar Refinado Líquido, como sustituto de Azúcar Refinado Cristalizado. La razón es simple, la industria embotelladora establece usar en la fórmula de preparación de Jarabe Simple, Azúcar Refinado la cual tiene un costo del orden de $6,450.00 por tonelada. Desde hace varios años algunas marcas de refrescos, han permitido el uso de Azúcar Estándar ($5,800.00 por tonelada), con un proceso de clarificación que utiliza resinas de intercambio iónico. El reto a superar fue lograr producir un jarabe simple equivalente al preparado con Azúcar Refinado, de manera similar al proceso utilizado por los embotelladores, pero con la diferencia que, se cancelara el uso de Resinas, fuera rentable y permitiera ofertar Azúcar Refinado Líquido. Los costos notables en una refinería son, el % de eficiencia y el energético. La media nacional reporta una eficiencia de transformación de Azúcar Estándar a Azúcar Refinado del orden de 93.5%-95.0% (94.25% en promedio, base sólidos), esto significa que para producir una tonelada de Azúcar Refinada se requiere 1.061 toneladas de Azúcar Estándar. Por otro lado, el consumo de petróleo promedio en periodos fuera de zafra se ubica en los 200 litros por tonelada de Azúcar Refinado producido. Para el caso de esta Planta de Azúcar Líquido, estos valores se ubicaron en 99% de eficiencia (base sólidos) y 19 litros de petróleo por tonelada de Azúcar Líquido (base seca):

1. Inversión de Capital del 30% de una Refinería equivalente de Azúcar Cristalizado en una planta de hasta 400 toneladas por día de capacidad (Base Seca).
2. Lograr un Costo de producción del 20% del costo de producir Azúcar Refinado Cristalizado.
3. Eficiencia de conversión base sólidos superior al 99% contra 95% (máximo) de una Refinería de Azúcar Cristalizado.
4. Baja demanda energética 19 litros de petróleo / ton azúcar líquido (BS) contra 200 litros de petróleo / ton azúcar refinado cristalizado.
5. Diseño de un proceso Amigable al Ambiente con un mínimo de afectación en efluentes contaminantes.
6. Reducido espacio de instalación (340 m2) y 3 operadores (en el proceso diseñado).
7. Reducido equipo de producción y 100% de inoxidable.
8. Operación similar a lo indicado en los Protocolos de las Industrias Embotelladora y de Alimentos.
9. Ofertar un Producto denominado: Sacarosa Líquida a 67 ° Brix (1.3313 Kilogramos por litro de Peso específico).
10. Arrancar comercialmente el proceso en el tiempo establecido en el Plan acordado con la Administración del Ingenio.
11. Ofertar el producto al mismo precio del Azúcar Refinado Cristalizado (en su equivalente en base seca), con el valor adicionado de estar listo para usarse.

Por ser la primer Refinería de Azúcar Refinado Líquido instalada en un Ingenio a nivel Nacional, este proyecto abre espacios a una Agroindustria que durante muchos años a permanecido al margen de mejoras e innovaciones. Con este proceso se cambia la oferta tradicional de Azúcar en estado sólido (cristalizado) y se le adiciona valor al ofertarlo líquido, cancelando el reproceso que realizan los usuarios (embotelladores y fábricas de alimentos). No obstante lo anterior, el esquema de fabricación, reduce el nivel de procesamiento con respecto a una Refinería de Azúcar Cristalizado en un 30%, con el consecuente ahorro en costos de producción, pues el costo de producción de una tonelada (base seca) de Azúcar Refinado Líquido, es de aproximadamente el 20% del similar al del Azúcar Refinado Cristalizado. Lo relevante en el esquema Tecnológico, se da porque el proceso de Fosfoflotación tradicionalmente utilizado en las refinerías de Azúcar, decolora solo hasta el 30% del color alimentado, para posteriormente cristalizarse y centrifugarse. El proceso desarrollado para esta planta, decolora hasta el 95%. Otra ventaja es la de su manipulación, pues contrario a lo que la lógica supone, el costo del transporte es similar, porque la prima del Seguro de Carga del Azúcar Sólido es de hasta el 10% del valor de la carga, por su alto índice de siniestrabilidad, mientras que la prima del transporte del Azúcar Líquido se mantiene en niveles aproximados al 0.5%, no obstante que el jarabe mantiene un nivel de agua del 33%. Para la infraestructura de transporte, se aprovecho la capacidad ociosa que transportó el Jarabe de Maíz de Alta Fructosa hasta mediados del 2001 y que desde ese entonces se mantenía sin utilización.

Metodología

Naturaleza del diseño.- OBJETIVO (la necesidad).- Las expectativas de Ingenio SAN JOSÉ DE ABAJO, bajo las condiciones del mercado, que en su gran mayoría oferta Azúcar Estándar (66% del total nacional), eran limitadas y altamente competidas.- Pensar en desarrollar otro producto partiendo de su proceso productivo era prácticamente imposible.- Lo único viable era instalar una refinería, lo cual significaría una inversión cercana a los 7 millones de dólares, y esto era difícilmente financiable dado las condiciones de la industria y el nivel de apalancamiento del ingenio.
Por otro lado, el mercado del Jarabe de Maíz de Alta Fructosa (JAMAFA) en México fue de 500 mil toneladas al año, de las cuales 250 mil eran producidas domésticamente y el resto importadas (250 mil toneladas). Ante el cambio del consumo por el Impuesto Especial (IEPS), por parte de los embotelladores, se pensó originalmente en cubrir la demanda de JAMAFA, pero posteriormente el enfoque cambió a satisfacer tanto al JAMAFA como al Azúcar Refinado Cristalizado, además de ofertar presentaciones envasadas para otro tipo y magnitud de consumo.
Al caso y en concordancia del tipo de demanda, el enfoque del proyecto consideró aplicar los protocolos de instalación, estado de arte y asepsia; utilizados por las plantas de alimentos y embotelladores, además de cumplir con las regulaciones de calidad establecidas por los embotelladores de más renombre a nivel nacional e internacional en cada uno de sus índices, predominando la concentración de embarque, que al caso es de 67% (base sólidos). Ante esto, nos planteamos el esquema de transportar agua (33% del producto), además de la infraestructura necesaria para el traslado. Ambos casos fueron resueltos, porque si bien se transporta agua, el índice de siniestrabilidad para el Azúcar Líquido es menor al 1% (lo cual reduce considerablemente el seguro de carga que ha llegado a ser el 10% del valor de la misma para el Azúcar Cristalizado) y por otro lado, permanecían ociosos los equipos de transporte del JAMAFA. Otro esquema de compensación para el consumidor fue que, al recibir un producto listo para utilizarse, tendrían un ahorro de costos en: a). Rotura y vaciado de sacos; y b). dilución y filtrado para cancelar los insolubles y la turbidez (mano de obra, materiales filtrantes, equipo, energía y tiempo), lo cual significa una merma para el usuario del orden del 0.5%.
Acorde al análisis inicial, para la investigación y desarrollo del proceso, se esquematizaron los siguientes puntos:

1. Naturaleza del diseño.-

1.1.1. Objetivo del diseño
1.1.2. Recolección de información
1.1.3. Generación de soluciones posibles
1.1.4. Selección óptima y justificaciones

1.2.- Anatomía de los procesos de refinación y producción de jarabes claros
1.3.- Organización del proyecto de Ingeniería
1.4.- Documentación del proyecto
1.5.- Diseño de factores de seguridad
1.6.- Nomenclatura del sistema.- sistema de unidades
1.7.- Grados de libertad y variables de diseño.- Representación matemática del diseño

1.7.1.- Flujo de información y variables de diseño
1.7.2.- Selección de las variables de diseño
1.7.3.- Flujo de información y estructura de diseño de problemas

1.8.- Optimización.-

1.8.1.- Procedimiento general
1.8.2.- Modelos simples
1.8.3.- Problemas de variables múltiples
1.8.4.- Programación lineal
1.8.5.- Programación dinámica
1.8.6.- Optimización de procesos intermitentes y semicontínuos
1.8.7.- Referencias

2.1- Balance de Materia y Energía del Sistema y sub-sistemas
2.1.- Cálculos de masa y energía
2.2.- Análisis de conservación de masa y formas de energía
2.3.- Reacciones Químicas y Estequiometría
2.4.- Demanda de energía eléctrica y calor
2.5.- Análisis de los componentes del sistema
2.6.- Restricciones del sistema
2.7.- Procesos de Reciclaje
3.1.- Diagramas del Proceso
3.2.- Diagrama del equipo y características del mismo
3.3.- Ingeniería conceptual, básica y de detalle
3.4.- Cálculos y características de equipos periféricos
3.5.- Instalación e instrumentación
4.- Desarrollo Ingeniería Detalle, fabricación, instalación y arranque del equipo.
4.1.- Caracterización de los componentes del equipo.-
4.2.- Caracterización de la construcción del equipo principal
4.3.- Costeo de fabricación e instalación
4.4.- Plan de desarrollo del proyecto (fabricación e instalación)

Una vez establecidos los criterios de diseño, se procedió a ofertar económicamente el proceso y a conformar el plan de ejecución y desarrollo del proyecto, para establecer los tiempos y programar adecuadamente el arranque de planta.

Resultados y Discusión

El plan de trabajo y sus objetivos se cumplieron de acuerdo al programa contemplado, el cual ajustó al 100% los objetivos esquematizados.

Resultados de los Objetivos estratégicos del negocio
Se cumplieron básicamente las premisas establecidas en las bases del proyecto, las cuales fueron:
- Inversión de Capital del 30% de una Refinería equivalente de Azúcar cristalizado. El costo cotizado de una refinería de Azúcar Cristalizado de hasta 400 toneladas diarias fue de 6.9 Millones de USD, el costo de este proyecto fue de 20.315 Millones de Pesos (1.767 USDM que es el 25.6% de 6.9 USDM), además de conseguir un apoyo del Fondo CONACYT-ECONOMIA de 2 Millones de Pesos, más 1.7 Millones de pesos de Estímulos Fiscales, esto redujo el costo a 16.615 Millones de Pesos (1.445 USDM que es el 20.9% de 6.9 USDM).

- Costo de producción del 20% del costo de producir azúcar refinado cristalizado.

El costo de producción del Azúcar Refinado, partiendo de Azúcar Estándar es de $73.00 USD por tonelada métrica, el costo reportado es de $14.65 USD / Tm (20.07%) y el costo revisado por PROCAZUCAR es de $13.96 USD / Tm (19.12%).

- Eficiencia de conversión base sólidos. Hasta el momento la eficiencia ponderada a la fecha (mayo del 2004), es del 99%, pero se han llegado a tener eficiencias base sólidos del orden del 99.0% a 99.4%.
- Baja demanda energética. El consumo ponderado a la fecha es de 22.5 litros por tonelada de Azúcar Refinado Líquido producido, pero la media del último mes (mayo del 2004), fue de 18litros de petróleo / ton azúcar líquido (BS).
- Rendimiento sobre Inversión. El plan de producción 2004, contempló mantener una producción mensual de 8000 toneladas de Azúcar Refinado Líquido (96,000 anuales). En el período de zafra utilizando el Azúcar Estándar producido con la Caña del Ingenio y en período fuera de zafra, comprando Azúcar Estándar de los ingenios aledaños. Bajo este contexto, tenemos:

Precio Azúcar Refinado: $ 6,450.00 x Tonelada
Precio Azúcar Estándar: $ 5,800.00 x Tonelada
Diferencial Precio: $ 650.00 x Tonelada
Costo Produc. Azúc Líquido: $ 165.00 x Tonelada (Base Seca)
Contribución Marginal: $ 485.00 x Tonelada (Base Seca)

($485.00 / Tonelada) x (96,000 Toneladas / año) = $46’560,000
(Al segundo período de producción con una inversión de 16.615 Millones de Pesos)

- Proceso Amigable al ambiente. Debido a que la eficiencia de conversión del proceso es igual o mayor al 99%, la carga orgánica del efluente del proceso (espumas de la clarificación), es mínima. Sin embrago, durante el período de zafra, estos efluentes se incorporan a la Estación de Alcalización (al jugo de la caña) y, en periodo fuera de zafra, se comercializan a una granja de cerdos.

- Impacto Social de la Industria Azucarera

• Por su importancia y dimensión, es la primera agroindustria del país.
• Operan 58 ingenios en 15 estados de la República
• Genera más de 400 mil empleos directos
• la abastecen 158 mil cañeros
• Se utilizan 100 mil equipos agrícolas para su cultivo
• Trabajan 31 mil jornaleros
• 32 mil transportistas
• 6000 empleados no sindicalizados
• 7000 jubilados
• En sus cadenas productivas directa e indirectamente da empleo a 2.65 millones de mexicanos

- Características del Azúcar Refinado Líquido.

1. Sistema de control de Concentración en Estación de Dilución Continua
2. sta parcial de las estaciones de reacción, Clarificación, Filtros LP y Filtros Pre-capa
3. Clarificador y Filtros de Lecho Profundo

EVAPORADOR
Descripción del Proceso:

1. Estación de Dilución. Mantiene una tolva de arribo de Azúcar Estándar y/o una de vaciado de sacos, con separadores magnéticos para evitar que partículas de hierro se incorporen al proceso. Se tienen instalados tres fundidores, en el primero se incorpora el azúcar (30°C) y el agua (a 98°C) en las proporción adecuada para conformar un jarabe a 63° Brix (63% de sólidos), este equipo cuenta con agitación y recirculación (con un agitador estático). El fundidor 1, derrama a fondo al fundidor 2, el cual recircula jarabe prediluido al 1, mantiene un sistema de calentamiento con vapor (1.8 Kg / cm2 manométrico). El fundidor 2 a su vez derrama a fondo al Fundidor 3, el cual cuenta con equipo de agitación doble. El Fundidor 3 derrama a un colador de malla y a un sistema de medición de concentración (grados Brix), para ajustar automáticamente el flujo de agua.
2. Estación de Colado y Contacto. El sistema trabaja con la incorporación de carbón activado en polvo desde la dilución. Posterior a la fundición, se cuenta con dos coladores cesta para retener insolubles y posteriormente se bombea a un tanque denominado Colchón. En este tanque, se mantiene en contacto el jarabe con el carbón durante 20 minutos aproximadamente.
3. Estación de Calentamiento y Reacción. Del tanque Colchón, se bombea el jarabe a través de un medidor de flujo, que funciona como válvula de control proporcional para la dosificación automática de químicos en la estación de reacción, posterior a la medición de flujo, se cuenta con un calentador de Placas (Alfa Laval), el cual eleva la temperatura del jarabe de 60°C a 89°C. El Jarabe pasa a la estación de reacción, la cual consta de un tanque rectangular con tres compartimientos. En el primero se adicionan Ácido Fosfórico y un decolorante (Polímero Catiónico), este primero compartimiento tiene agitación y derrama al segundo compartimiento (también con agitación), en donde se dosifica Sacarato de Calcio (preparado con lechada de cal química y jarabe simple). Al derrame del segundo compartimiento al tercer compartimiento, se tiene un controlador automático de pH. Este equipo envía seña a la bomba de sacarato para ajustar el pH acorde al Set Point establecido en el ordenador de control. Para este caso las bombas dosificadoras de químicos cuentan con variadores de frecuencia para controlar los flujos de manera automática. En el tercer compartimiento del tanque reacción, se mantienen dos sistemas de cavitación, que adicionan micro-burbujas al jarabe como coadyuvantes de flotación.
4. Estación de clarificación y Filtros Lecho Profundo. Por el fondo del tercer compartimiento del reactor, se alimenta al Clarificador el cual se encuentra en un nivel inferior (se realiza por vasos comunicantes). En el tubo de alimentación del Clarificador se adiciona el Floculante (Polímero Aniónico), el cual se homogeniza con una agitador estático. La separación de impurezas, coloides, carbón y materiales colorantes del jarabe, se realizan por flotación (Proceso de Fosfoflotación). El Clarificador mantiene dos salidas: a) Las espumas que se regresan al proceso del ingenio (alcalización) y el jarabe claro que se almacena en un tanque denominado Claros I. De este tanque se bombea el Jarabe a través de unos filtros de lecho profundo, para eliminarle los finos de carbón que llegan a pasar de la clarificación. Los Filtros de lecho Profundo se retro-lavan automáticamente usando como variable de control la presión. El retro-lavado de estos filtros se incorpora al Tanque colchón. El jarabe claro de los Filtros de Lecho Profundo, se envía a otro tanque denominado Claros II.
5. Estación de Filtros Pre-capa y Evaporación. Del Tanque Claros II, el jarabe se bombea a los Filtros de Precapa, para pulirlo y eliminarle la turbidez. De ahí, el jarabe se re-bombea a un calentador de placas (Alfa Laval), para elevar su temperatura de 85 a 90°C, y por medio de una celda de evaporación que trabaja con un condensador barométrico (a 25 “ Hg de vacío), se concentra de 63° Brix a 67° Brix (± 0.3).
6. Estación de Enfriamiento, Almacenaje y Embarque. Del evaporador, el jarabe desciende a un intercambiador de calor que trabaja con agua de una Torre de Enfriamiento. Este intercambiador disminuye su temperatura de 90°C a 55°C. Posteriormente pasa por otro intercambiador de calor que trabaja con agua helada (de un Chiller Trane de 130 toneladas de refrigeración), el cual abate la temperatura de 55°C a 25°C. Pasando posteriormente a los tanques de despacho. La estación de embarque, cuenta con un sistema CIP (Cleaning in Place), para lavar los tanques de transporte. El equipo de transporte es especial y se mantiene revestido térmicamente. Para liberar un embarque, se analiza el tanque de despacho a utilizar generando un Certificado de Calidad, se realiza una prueba microbiológica al producto y al transporte y una vez corroborado el resultado, se procede a llenar la pipa, para su posterior sellado, pesaje y embarque.

Conclusiones

Con un diferencial de precio entre el Azúcar Refinado y el Estándar con una oscilación entre los $50 y $90 Dólares Americanos por tonelada, esta opción permitirá incrementar notablemente los beneficios al incrementar el margen de utilidad del producto ofertado, optimizar los costos, agilizar el proceso, reducir el mantenimiento y eficientar la operación de planta, significando una excelente coyuntura dentro de la planeación estratégica de los próximos años de esta Agroindustria. El proceso desarrollado es la Primer Refinería que Produce Azúcar Refinado Líquido a nivel Nacional y es una opción viable para la Agroindustria Azucarera y para las industrias de Alimentos y Bebidas que demandan Azúcar Refinada en Forma Líquida.