IMPLEMENTACIÓN DE MEJORAS TECNOLÓGICAS PARA EL MÓDULO DE PRODUCCIÓN DE PANELA GRANULADA DE SANTA ROSA DE CHONTA, MONTERO, AYABACA, PERÚ

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1 IMPLEMENTACIÓN DE MEJORAS TECNOLÓGICAS PARA EL MÓDULO DE PRODUCCIÓN DE PANELA GRANULADA DE SANTA ROSA DE CHONTA, MONTERO, AYABACA, PERÚ Prof. Ing. Daniel Marcelo Aldana Universidad de Piura - Perú, Sección Energía Ing. Raúl La Madrid Olivares Universidad de Piura - Perú, Sección Energía Resuen. La agroindustria panelera en Perú está desarrollando a pasos iportantes, principalente en la zona de la sierra de Piura. En tal sentido es iportante conocer apliaente el proceso de producción de panela granulada (azúcar orgánico), desarrollar tecnología local que perita hacer frente a los retos que involucran dicha agroindustria, pasando tabién por la foración de cuadros tanto técnicos, así coo profesionales y científicos. Teniendo coo arco la convocatoria de proyectos del Fincyt 1 la Universidad de Piura (UDEP) verificó la necesidad de realizar ejoras iportantes al proceso de producción de panela granulada y desarrolló un proyecto 2 que tuvo coo objetivo construir un prototipo ejorado de producción de panela, que incluía un estudio profundo y riguroso del proceso de producción de panela, identificación de principales probleáticas, diseño del prototipo, la construcción y la realización de pruebas de operación. Palabras-clave: Bioasa, Bagazo, Panela, Cobustión. 1. INTRODUCCIÓN La panela es un producto alienticio, que se utiliza coo bebida o coo edulcorante obtenida ediante la concentración de los sólidos solubles totales, disueltos en el jugo de la caña de azúcar (Roberto Loy, 2002). La producción de azúcar orgánico es una agroindustria típica rural, donde una gran cantidad de pequeños, edianos y algunos grandes cultivadores de caña de azúcar, transforan individual y directaente, este producto agrícola en un aliento. El proceso de elaboración de azúcar orgánico, coienza con la recepción de la caña, seguido por la extracción y acondicionaiento de jugos (olienda, filtración decantación y alacenaiento de los jugos), obtención de ieles (lipieza y clarificación, evaporación, concentración y punteo) y por últio la elaboración de la panela (cristalización enfriaiento y taizado) (García et al, 2007). 2. GENERALIDADES El ayor exportador de azúcar orgánico a nivel nacional es la epresa Central Piurana de Cafetaleros CEPICAFÉ, epresa que ha participado coo entidad colaboradora en el proyecto encionado. En el año 2009 la cantidad de panela que se exportó aproxiadaente fue 600 toneladas, con un ingreso aproxiado de dólares, siendo los ayores países copradores Francia, Italia y Suiza. Los foratos en los que se vende este producto son los siguientes; a granel: envases por 25 kg, bolsa de polietileno y saco exterior de polipropileno; envasado: envases bopp por 500 graos y cajas de cartón. A nivel interno solaente el 5% de la producción de CEPICAFE es para la venta nacional. Es en este sentido se está trabajando actualente para increentar las ventas nacionales, previéndose ventas a Lia y Piura. Una anera de hacer esto sería: ofrecer foratos pequeños para que facilite la prueba del producto, asegurando precios accesibles que reduzcan el teor que siente el cliente a la copra de un producto nuevo. Adeás proover la prueba del producto a través de degustaciones en los superercados, y una capaña de counicación en los principales edios que auenten el conociiento del producto. 1 Prograa de Ciencia y Tecnología -FINCyT- financia proyectos que contribuyen al ejoraiento de los niveles de copetitividad del país, fortaleciendo las capacidades de investigación e innovación tecnológica 2 Estudio e investigación teórica experiental del proceso de obtención de panela granulada a partir de la caña de azúcar. Contrato Nº 031-FINCyT-PIBAP-2007

2 3. BENEFICIOS DE LA PANELA GRANULADA Lo que diferencia a la panela granulada orgánica sobre productos coo el azúcar rubia blanca y edulcorantes artificiales es: - Es 100% natural. A diferencia de los otros dos productos no utiliza ningún insuo quíico para su fabricación. - Es ás nutritivo que los otros dos productos (Roberto Loy, 2002). - Es orgánica, el cultivo de la caña de azúcar no utiliza fertilizantes quíicos en tal sentido se cuida el edio abiente. - Es un producto de coercio justo que adeás de generar beneficios para la epresa, ejora la calidad de vida de los productores y las counidades asociadas a CEPICAFÉ. 4. MÓDULO DE PRODUCCIÓN SANTA ROSA El ódulo de producción de Santa Rosa de Chonta ubicado en Montero - Ayabaca, ha sido el lugar seleccionado para ipleentar las ejoras tecnológicas desarrolladas en las prieras fases del proyecto, por el grupo de investigadores de la Sección Energía de la Universidad de Piura. Esto incluye la construcción del prototipo de hornilla panelera. El ódulo de producción de Santa a partir de su fecha de construcción coenzó a producir con una capacidad noinal de 50 kg/h. Siendo un ódulo eficiente se consideró apropiado ipleentar ejoraientos para auentar la producción, pero que no tuvieron un buen resultado, por el contrario, hicieron deficiente la hornilla y no autosuficiente. De otro lado probleas ligados al al anteniiento y operación, junto con los probleas de gestión del ódulo terinaron por hacer que el ódulo de producción no sea atractivo desde el punto de vista econóico. Bajo estas condiciones es que se propuso construir un nuevo prototipo de hornilla panelera de ayor capacidad para reeplazar a la existente. A continuación, se uestra algunas de las probleáticas encontradas en el ódulo, durante la priera visita que se realizó. En la zona de olienda, se podían identificar tres probleas graves: 1. La containación del jugo de caña con aceites y lubricantes propios del olino, debido a un al diseño de fabricación, que no peritía aislar el jugo de los containantes. En la Fig. 1 se pueden observar principales focos de containación con lubricantes en el olino. Figura 1. Containación con lubricantes 2. Otro de las deficiencias observadas en el olino, era el desgaste de las azas y la oxidación de las isas, debido a un inadecuado anteniiento. 3. El otor Diesel que accionaba el olino, había recibido un al anteniiento, adeás, presentaba el problea que se evacuaban directaente los gases producto de la cobustión en el recinto donde se realizaba la olienda (ver Fig. 2).

3 Figura 2. Deficiencias sisteas del otor y tubo de escape En la etapa de hornilla, la deficiencia fundaental es la cáara de cobustión, siendo una cáara tradicional, es decir, tiene el área de parrilla 3 deasiado grande y deasiado exceso de aire, originando una cobustión ineficiente y altos porcentajes de liberación de CO. En la Fig. 3 se uestra un corte transversal de la hornilla. Coo se puede apreciar las pailas están directaente sobre la parrilla y por lo tanto sobre la llaa, lo que origina fallas ecánicas en estos eleentos que funcionan coo intercabiadores de calor. Parrilla Figura 3. Corte transversal hornilla panelera En la Fig. 4, debido a la dilatación sufrida por la parrilla efecto de las altas teperaturas, hubo deforaciones en ésta, dado que no se había dejado el juego necesario para la dilación encionada, lo que provocó un estrés térico que culinó en la falla de la parrilla. Figura 4. Deforaciones en la Parrilla 3 La parrilla es un eleento que sirve coo lecho al bagazo peritiendo la entrada de aire y adeás perite la evacuación de las cenizas.

4 En lo referente a las pailas éstas estaban en al estado ecánico, debido al al diseño de la hornilla, lo que provocaba altas teperaturas en las últias pailas con deforaciones en las aletas 4 (ver Fig. 5), y a su vez afectaba el fondo de la paila coo se uestra en la Fig. 6. Figura 5. Deforaciones en las aletas 5. FASE DE DISEÑO DEL MÓDULO Figura 6. Estado de pailas En la fase de diseño se deterinó los coponentes del ódulo de producción de panela. A continuación se explican cada uno de éstos: 5.1 Sala de olienda Para evitar el problea de contacto de aceites con el guarapo, se adquirió un olino R8 de fabricación colobiana, el cual adeás de tener un ejor diseño, perite una ayor capacidad de olienda (1500 kg caña por hora). Adeás, con la finalidad de evitar probleas futuros, se ha capacitado a los productores en los siguientes puntos: 1. Procediiento de ontaje del olino. 2. Puesta en archa del olino. 3. Recoendaciones operación del olino. 4. Manteniiento preventivo 5. Manteniiento correctivo. Del iso odo se ha capacitado a los productores en lo relacionado al ontaje, operación y anteniiento del otor. 5.2 Hornilla Una vez analizadas las ayores probleáticas de la hornilla anterior, se hizo un estudio en el cual se investigó acerca de las tecnologías actuales para el proceso de producción de azúcar orgánico. Es así que se llego en prier lugar a la conclusión de que era ás conveniente construir una hornilla tradicional, en lugar de una que funcionara con sistea a 4 Superficies extendidas utilizadas para beneficiar la transferencia de calor.

5 vapor. Esto debido a que se podría utilizar el conociiento adquirido para aplicarlo en la ejora de otras hornillas de la zona. A continuación se uestran las principales características de los eleentos que constituyen la hornilla del prototipo construido: Cáara de Cobustión Definido el tipo de prototipo de hornilla a construir, se optó por la construcción de una cáara tipo Ward-Cipa, ya que este tipo de hornilla perite alcanzar ayores teperaturas en la cobustión, perite utilizar bagazo con huedades de hasta el 45% y adeás libera enor cantidad de CO (García et al, 2007). En la Fig. 7 se uestra el odelo 3D de la cáara de cobustión construida. Coo se puede observar este tipo de cáara tiene dos entradas de aire: una priaria y otra secundaria, peritiendo un ejor desarrollo de la cobustión. La cáara cuenta con una rapa de pre-secado de bagazo facilitando el uso de bagazo hasta con un 45 % de huedad. La altura de la cáara es otro factor iportante, en este caso la altura es de aproxiadaente 4 etros, evitando el contacto directo entre las pailas y la llaa. Una creencia incorrecta que se tiene, es que si la llaa tiene contacto directo con las pailas es beneficioso cuando en realidad es todo lo contrario. Ductos Aire secundario Rapa Pre-secado bagazo Ducto de huos Figura 7. Cáara de cobustión tipo Ward-Cipa La Fig uestra la vista del ducto de huos. Cada detalle de este eleento de la hornilla panelera ha sido previsto para favorecer el fenóeno de transferencia de calor de los gases de cobustión al jugo de caña. Este ducto ha sido recubierto, al igual que la cáara de cobustión con ladrillo refractario en su parte interior. El uso de ladrillo refractario se justifica, a pesar de ser ás costoso que el ladrillo coún, porque proporciona un ejor aislaiento lo que se traduce en una reducción iportante de las pérdidas de calor a través de las paredes de la hornilla. Adicionalente se puso una doble pared ya que de esta anera se reduce aún ás las pérdidas de calor por las paredes. Figura 8. Cáara de cobustión tipo Ward-Cipa

6 Chienea La chienea cuple la función de dar el tiro 5 necesario para la correcta evacuación de los gases. Si la altura de la chienea es uy baja, provoca que la velocidad salida de los gases sea uy alta, lo que a su vez se traducirá en un proceso ineficiente de la transferencia de calor. Por otro lado si la altura de la chienea es uy alta ocasiona un estancaiento o retorno de los gases de cobustión, cosa que tapoco se desea. Coo es de entenderse, el clia cabiante de cada zona de producción hace que las características de la cobustión cabien y por ende el tiro total requerido debe ser reajustado haciendo uso de una válvula ariposa (ver Fig. 9). Figura 9. Válvula ariposa 6. DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DE PAILAS En el diensionaiento de las pailas hay que toar factores técnicos iportantes (utilizando conociientos de ecánica de fluidos y transferencia de calor) y tabién factores ligados a la anera cóo los productores anejan el proceso de producción de panela granulada. Al productor no se le puede cabiar drásticaente la anera coo viene produciendo panela. En otras palabras la innovación tecnológica a ipleentar debe respetar la idiosincrasia en cuanto a la producción de panela de la zona, claraente respetando algunos lineaientos counes. En el caso del prototipo a construir, se toa en consideración la cantidad de caña disponible de la zona, las perspectivas de creciiento en cuanto a caña de azúcar a cultivar, la fora coo vienen produciendo la panela los agricultores de la zona y tabién el área disponible para la construcción. Para el prototipo en la fase de diseño y construcción se consideró 5 pailas, con una capacidad de producción de la planta de aproxiadaente 80 a 100 kg/h. Coo condición iprescindible se tiene que las pailas deben realizar el proceso para el cual han sido diseñadas, respetando los tiepos de calentaiento y evaporación del agua contenida en el jugo. En la Fig. 10 se uestra el resultado, después de validar los diferentes odelos. A continuación se encionan las características de las pailas utilizadas en la construcción del prototipo. Paila seicilíndrica (paila 1): - Se utilizan cuando el paso de los jugos se hace anualente. - Tienen la ventaja que ofrecen ayor área de transferencia de calor que una paila tipo plana. 6 Pailas seiesféricas (pailas 2 y3): - De igual anera a las anteriores, se utilizan cuando el paso de los jugos se hace anualente. - Se utilizan cuando la relación entre el área de transferencia de calor y el voluen de la paila es baja y el traslado anual de los jugos no requiere grandes esfuerzos huanos. Pailas Planas aleteadas (pailas 4 y 5): - Son ás eficientes, que pailas planas. Presentan ayor relación del área de transferencia de calor con respecto al área plana. Periten obtener hornillas relativaente ás pequeñas. - Este tipo de intercabiadores se fabrica agregando estas superficies extendidas (aletas) a pailas planas. Hay que tener en cuenta que se tiene que hacer un cálculo ateático para deterinar las diensiones y el núero de aletas para obtener rendiientos óptios. 5 Diferencia de presión necesaria para el oviiento de gases a través del ducto. 6 Esta paila es un tronco de piráide, el cual se encuentra abierto en su base ayor, y su base enor se encuentra expuesta a los huos para transferencia de calor.

7 Paila 5: Aleteada Clarificadora Paila 3: Seiesférica Punteadora Paila 1: Seicilíndrica Evaporadora 2 Paila 5: Aleteada Evaporadora 1 Paila 2: Seiesférica Evaporadora 3 7. IMPACTOS DEL PROYECTO Figura 10. Nobre, posición y uso de las pailas del ódulo construido Los ipactos del proyecto se encionan a continuación: 7.1 Ipactos Econóicos y sociales El fortaleciiento y consolidación de las actividades productivas en la zona, a partir de las propias capacidades de las failias, se ha contribuido a crear las condiciones necesarias para el desarrollo autónoo de los individuos y de la APPAGROP de Santa Rosa de Chonta, para ejorar su calidad de vida. 7.2 Ipactos en Tecnología Al ser una investigación relativaente nueva en Perú, a nivel científico la UDEP y el equipo de trabajo han realizando actividades para identificar ejoras iportantes al proceso de producción agroindustrial de azúcar orgánico y actualente, están a la vanguardia en el desarrollo de tecnologías de producción de azúcar orgánica. 7.3 Ipactos Abientales El factor clave en la disinución de eisiones nocivas al edio abiente se ha centrado en la cáara de cobustión. Actualente, en otros ódulos de producción de la zona, el queado del bagazo en las cáaras de cobustión es realizado de anera no eficiente y por ende con ipacto sobre el abiente, por las eisiones de CO eitidas. En tal sentido en este prototipo se ha tratado directaente el queado con cobustión copleta del bagazo en la cáara reduciendo las eisiones debido al diseño optiizado de cáara de cobustión. 8. INDICADORES DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN 8.1 Cálculo del rendiiento del cultivo Este indicador se define coo el cociente entre la panela producida y la caña procesada. I 1 panela caña procesada (1)

8 Según Velásquez et al. (2004). este paráetro usualente tiene un valor de 0.1 (10%). El valor obtenido durante las pruebas de operación del prototipo para el I 1 es de aproxiadaente 9%, lo que es bastante aceptable ya que está uy próxio al valor usual del 10%. 8.2 Cálculo del rendiiento del bagazo En los trapiches se busca el autoabasteciiento energético ediante el uso del bagazo coo cobustible, por lo tanto se define un índice que da cuenta del bagazo sobrante o faltante en los trapiches. Coo la huedad con que se produce y se consue el bagazo varía con el nivel de extracción de jugo y el proceso de secado, la cantidad de bagazo húedo no ofrece una coparación directa de los trapiches. Por esto se define el índice con base en el bagazo seco consuido y producido: I 2 bs, producido bs, consuido bs, producido 100% Donde la asa de bagazo seco producido (M bs,producido ) se calcula utilizando la Ec. (3). bs, producido bh, producido w bg (2) (3) Y la asa de bagazo seco consuido (M bs,consuido ) se calcula utilizando la Ec. (4). bs, consuido bh, consuido w bc (4) Donde w bg y w bc son respectivaente, la huedad del bagazo generado y del bagazo consuido. Valores positivos indican una autosuficiencia energética de la hornilla, por el contrario valores negativos indican que es necesario el uso de cobustibles adicionales. En el ódulo construido se ha obtenido un I 2 = 9.8 % lo que deuestra la autosuficiencia del prototipo. 8.3 Cálculo del índice de pérdidas de los gases de cobustión El índice de pérdidas por la chienea se calcula ediante el cociente entre la energía que se pierde por chienea, y la energía generada en la cáara de cobustión. I 3 Q Q chienea generado Para el prototipo construido se ha calculado un índice de 24.4%, que uestra bajas pérdidas de los gases de cobustión. 8.4 Cálculo del índice global de rendiiento de un trapiche Se calcula coo el cociente entre el bagazo seco consuido y la panela producida. (5) I 4 bagazoconsuido panela (6) El valor del índice 4 depende del éxito en la extracción de jugos, en el secado del bagazo, en el proceso de cobustión, y en el aprovechaiento de la energía en el proceso productivo. Entre ás bajo sea este índice, ejor será el rendiiento global (energético y productivo) de la hornilla.

9 El ódulo analizado tiene un I 4 = , el cual es bajo, lo que representa un buen rendiiento global (energético y productivo) de la hornilla. 8.5 Rediiendo de panela - tiepo Se deterina ediante el cociente entre la asa de panela producida (en kilograos) respecto al tiepo de proceso en la evaporación del agua (en horas). Este rendiiento indica la capacidad de producción de la hornilla. panela panelatiepo tiepo El valor obtenido es de 80 kg/h, siendo este la capacidad de producción de la hornilla. 8.6 Cálculo del porcentaje de extracción en peso Es el térino utilizado para expresar la cantidad de jugo recuperado. Se expresa en kg de jugo por cada 100 kg de caña. Pj Ep 100 Pc (8) (7) Siendo, P j el jugo recuperado y P c el peso de la caña, las unidades de abos paráetros son kilograos. Un porcentaje de extracción en peso del 60% se puede considerar coo uno bueno para un olino de tres asas. En el cuarto de olienda de la hornilla construida, se obtuvo un porcentaje de extracción en peso del 69%. 9. CONCLUSIONES - Gracias a la innovación ipleentada en el prototipo ha sido posible obtener ayores índices de operación, respecto al que presentan las otras hornillas. - Debido a los enores tiepos de residencia y a una ayor eficiencia en la cobustión del bagazo ha sido posible auentar la cantidad y ejorar la calidad de panela producida. - En el tea de investigación: se han optiizado los tiepos de análisis, diseño y siulación con el uso de herraientas coo las técnicas de siulación de dináica de fluidos coputacional (CFD). - Hay un ipacto abiental positivo debido a que se han disinuido las concentraciones de CO, NO y SO2 gracias a una cobustión ás copleta del bagazo. - Se ha ejorado la eficiencia térica del ódulo de producción de panela. REFERENCIAS Proyecto panela. Fincyt. Gerardo Gordillo, Hugo R. García B Manual para el diseño y operación de hornillas paneleras. Héctor Iván Velásquez Arredondo, Farid Chejne Janna, y Andrés Felipe Agudelo Santaaría Diagnóstico energético de los procesos productivos de la panela en Colobia. Hugot. Handbook of Cane Sugar Engineering Hugo R. García B, Luis C. Albarracín, Adriana Toscano Latorre, Natalia J. Santana, I.A. Orlando Insuasty Guía tecnológica para el anejo integral del sistea productivo de caña panelera. Roberto Loyo Joachin Métodos y estrategias para el perfeccionaiento de la agroindustria panelera.

10 IMPLEMENTATION OF IMPROVED TECHNOLOGY FOR THE PRODUCTION MODULE OF ORGANIC SUGAR "SANTA ROSA DE CHONTA", MONTERO, AYABACA, PERU ABSTRACT. Panela agro-industry in Perú is developing iportant steps, ainly in the area of the "Sierra de Piura". In this sense it is iportant to fully understand the production process of organic sugar also call "panela", develop local technology that can cope with the challenges that involve the agricultural industry, as well as the training of technicians and also professionals and scientifics. Taking as a fraework the call for FINCYT projects, the University of Piura (UDEP) deonstrated the need for ajor iproveents to the production process of "panela" and developed a project that aied to build an advanced prototype production of organic sugar, which included a deep and rigorous study of the production process of organic sugar, identifying ajor probles, prototype design, construction and operation testing. Keywords: Bioass, Bagasse, Panela, Cobustion.

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