Cristalización de la Sacarosa Tecnología Azucarera
Aguilar, Noé; Román, Carlos
Los fenómenos cinéticos que influyen directamente en la distribución de tamaño de cristal de sacarosa son la nucleación y el crecimiento, aunque la rotura y aglomeración de los cristales pueden tener gran importancia en algunos sistemas (Rawlings et al., 1993).
La fuerza impulsora para que la nucleación y crecimiento tengan lugar, es la sobresaturación de la meladura. Esta varía dependiendo de las diferentes zonas que pueden ocurrir durante el enfriamiento de una solución y permite que la nucleación y el crecimiento existan simultáneamente y compitan por el soluto disponible. En la Figura 1 se ilustran algunos tipos de procesos de nucleación y las diferentes zonas de sobresaturación. La zona inestable corresponde a la zona donde ocurre la nucleación espontánea homogénea o heterogénea de una fase sólida. La zona metaestable corresponde a la zona en la cual la nucleación homogénea y heterogénea no ocurrirá inmediatamente, pero sí el crecimiento de cristales de sacarosa y la zona insaturada corresponde a la región en donde no hay formación ni crecimiento de cristales.
La fuerza impulsora para que la nucleación y crecimiento tengan lugar, es la sobresaturación de la meladura. Esta varía dependiendo de las diferentes zonas que pueden ocurrir durante el enfriamiento de una solución y permite que la nucleación y el crecimiento existan simultáneamente y compitan por el soluto disponible. En la Figura 1 se ilustran algunos tipos de procesos de nucleación y las diferentes zonas de sobresaturación. La zona inestable corresponde a la zona donde ocurre la nucleación espontánea homogénea o heterogénea de una fase sólida. La zona metaestable corresponde a la zona en la cual la nucleación homogénea y heterogénea no ocurrirá inmediatamente, pero sí el crecimiento de cristales de sacarosa y la zona insaturada corresponde a la región en donde no hay formación ni crecimiento de cristales.
La velocidad de nucleación, la cual aparece como una condición frontera en L = 0 para el balance de población, es generalmente el factor dominante que influye en la distribución de tamaño de cristal de sacarosa. La nucleación es también el proceso menos entendido de los dos procesos involucrados en la cristalización de azúcar y el más difícil para ser descrito por expresiones cinéticas (Botsaris, 1980). Los procesos cinéticos de nucleación requieren de la sobresaturación para que los núcleos sean formados y después crezcan. El sistema intenta alcanzar el equilibrio termodinámico a través de la nucleación y el crecimiento del núcleo del cristal de sacarosa.
Si una solución no contiene partículas sólidas extrañas ni cristales de su propio tipo, el núcleo puede ser formado solo por nucleación homogénea. Si algunas partículas extrañas están presentes, la nucleación se facilita y el proceso es conocido como nucleación heterogénea. Ambas nucleaciones, la homogénea y la heterogénea, toman lugar en ausencia de cristales de la propia solución y son colectivamente conocidas como nucleación primaria. Esto ocurre cuando la sobresaturación metaestable ΔCmet es obtenida en el sistema.
En la cristalización comercial de la sacarosa en el tacho o cristalizador, se ha observado continuamente que la nucleación ocurre hasta en niveles muy bajos de sobresaturación ΔC<ΔCmet cuando existen cristales propios de la solución; por ejemplo, en la forma de fragmentos agotados o en el sembrado de cristales. Tales nucleaciones son conocidas como nucleación secundaria, la cual puede definirse como la nucleación que toma lugar solo por la previa presencia de cristales del material que empieza a ser cristalizado. Se sabe también que existen diferencias entre nucleaciones secundarias resultantes de contacto, rotura, abrasión, agotamiento y fraccionamiento de los cristales de azúcar. Algunos autores como (Grases, 2000) y (Botsaris, 1980), han clasificado el mecanismo de nucleación secundaria en aparente, verdadero y de contacto. La Figura 2 ilustra la clasificación de los mecanismos de nucleación.
La nucleación secundaria aparente es un caso trivial y se refiere; por ejemplo, al lavado de pequeños fragmentos de la superficie de un cristal seco, cuando este es introducido en la solución.
La única operación de cristalización industrial de sacarosa donde tal mecanismo puede ser importante, es cuando los cristalizadores son sembrados con material fresco, como es algunas veces practicado en la cristalización “batch” (tacho o pan). En la nucleación secundaria verdadera, la presencia de cristales de soluto es prevista por la perturbación de la distribución de estado estable de los agregados ordenados o “embriones” presentes en la solución. Bajo tales condiciones, la introducción de “embriones” más pequeños que el tamaño de cristal puede aparentemente sobrevivir y llegar a ser núcleos.
La nucleación secundaria de contacto ha sido más ampliamente estudiada que las otras categorías. Según (Garside & Davey, 1980), el contacto entre un cristal creciente y las paredes del contenedor (tacho o cristalizador “batch”), el agitador o la bomba impulsora u otros cristales, conducen a la formación de un núcleo de contacto.
Si una solución no contiene partículas sólidas extrañas ni cristales de su propio tipo, el núcleo puede ser formado solo por nucleación homogénea. Si algunas partículas extrañas están presentes, la nucleación se facilita y el proceso es conocido como nucleación heterogénea. Ambas nucleaciones, la homogénea y la heterogénea, toman lugar en ausencia de cristales de la propia solución y son colectivamente conocidas como nucleación primaria. Esto ocurre cuando la sobresaturación metaestable ΔCmet es obtenida en el sistema.
En la cristalización comercial de la sacarosa en el tacho o cristalizador, se ha observado continuamente que la nucleación ocurre hasta en niveles muy bajos de sobresaturación ΔC<ΔCmet cuando existen cristales propios de la solución; por ejemplo, en la forma de fragmentos agotados o en el sembrado de cristales. Tales nucleaciones son conocidas como nucleación secundaria, la cual puede definirse como la nucleación que toma lugar solo por la previa presencia de cristales del material que empieza a ser cristalizado. Se sabe también que existen diferencias entre nucleaciones secundarias resultantes de contacto, rotura, abrasión, agotamiento y fraccionamiento de los cristales de azúcar. Algunos autores como (Grases, 2000) y (Botsaris, 1980), han clasificado el mecanismo de nucleación secundaria en aparente, verdadero y de contacto. La Figura 2 ilustra la clasificación de los mecanismos de nucleación.
La nucleación secundaria aparente es un caso trivial y se refiere; por ejemplo, al lavado de pequeños fragmentos de la superficie de un cristal seco, cuando este es introducido en la solución.
La única operación de cristalización industrial de sacarosa donde tal mecanismo puede ser importante, es cuando los cristalizadores son sembrados con material fresco, como es algunas veces practicado en la cristalización “batch” (tacho o pan). En la nucleación secundaria verdadera, la presencia de cristales de soluto es prevista por la perturbación de la distribución de estado estable de los agregados ordenados o “embriones” presentes en la solución. Bajo tales condiciones, la introducción de “embriones” más pequeños que el tamaño de cristal puede aparentemente sobrevivir y llegar a ser núcleos.
La nucleación secundaria de contacto ha sido más ampliamente estudiada que las otras categorías. Según (Garside & Davey, 1980), el contacto entre un cristal creciente y las paredes del contenedor (tacho o cristalizador “batch”), el agitador o la bomba impulsora u otros cristales, conducen a la formación de un núcleo de contacto.
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