MXPA05010825A - Proceso para producir azucar y material util. - Google Patents

Abstract

Un objetivo de la presente invencion es proporcionar un metodo para producir azucar y etanol a partir de la cana de azucar, en el que casi toda la energia que se consumira en el proceso de produccion del azucar, el etanol y similares se puede suministrar mediante la energia obtenida por la quema del residuo por presion de la cana de azucar, pero sin disminuir la cantidad de azucar a producir. La presente invencion proporciona un metodo para producir azucar y un material util de la cana de azucar, y consta de los siguientes pasos: (a) producir un jugo por presion a partir de la capa de azucar y un residuo por presion de la cana de azucar; (b) producir azucar y melaza a partir de dicho jugo por presion; y (c) generar energia y un material util usando dicho jugo por presion, dicha melaza y dicho residuo por presion de la cana de azucar obtenidos de los pasos (a) y (b) como materiales fuente, en el que dicha cana de azucar contenga un 15% o mas de componente de fibra por masa en la region del tallo de la cana y proporcione una cantidad de materia seca por unidad de area de 40t/ha/ano o mas; y 90% o mas de la energia requerida para todos los pasos de dicho metodo de produccion se obtiene de la energia generada por la quema de dicho residuo por presion de la cana de azucar.

Description

UN MÉTODO PARA PRODUCIR AZÚCAR Y MATERIAL ÚTIL.

Antecedentes de la Invención La presente invención se relaciona con un método para producir azúcar y alcohol, plástico y similares a partir de la caña de azúcar usando melaza como material fuente derivado de la misma. Se espera que el etanol derivado del vegetal que se utilizará como combustible sea un combustible líquido que sustituya a la gasolina para evitar el incremento en el gas dióxido de carbono. En cuanto a un método para producir el etanol derivado del vegetal, se conoce convencionalmente un método para usar la caña de azúcar como material fuente (ver Figura 1) . Afortunadamente, en este método casi toda la energía requerida para producir el etanol se puede obtener de la energía generada por la quema de los residuos de la caña de azúcar derivados de su proceso de exprimido o presión (en lo sucesivo, residuo por presión de la caña de azúcar) . Sin embargo, hay un problema asociado con el uso de la caña de azúcar como material fuente para el etanol : debido a una competencia con la producción de azúcar, cualquier producción de etanol a partir de la caña de azúcar suministrada del área existente bajo cultivo puede llevar a una disminución en el volumen de producción de azúcar disponible para alimento.

Generalmente, al producir el azúcar (azúcar no refinada) a partir de la caña de azúcar se emplea el método ilustrado en la Fig. 2. A este respecto, se ha sugerido un método tal para la producción de etanol que utiliza melaza, que es un derivado del proceso de producción del azúcar (ver Fig. 3) . De acuerdo con este método, se suele emplear caña de azúcar con un contenido de componente de fibra del 10 al 20% por masa y, mientras se produce el azúcar, se quema un residuo de la presión de caña de azúcar para complementar la energía requerida para producir el etanol. Así, aunque se puede resolver el problema arriba mencionado de la disminución en la producción de azúcar, la energía que se puede obtener quemando el residuo por presión de la caña de azúcar será demasiado pequeño como para suministrar toda la energía que se va a consumir durante el proceso de producción de azúcar, lo que puede llevar a una situación en la que la falta de energía se deba compensar con la energía que se puede obtener de una fuente de energía eléctrica o un aceite pesado. Otra desventaja más es que debido a una pequeña cantidad de melaza, el método arriba indicado sólo permite obtener una pequeña cantidad de etanol .

Resumen de la Invención Así, un objetivo de la presente invención es proporcionar un método para producir azúcar y etanol a partir de la caña de azúcar, que pueda incrementar la cantidad de etanol producida sin disminuir la cantidad de azúcar; dicho método se caracteriza porque casi toda la energía que se va a consumir en los procesos de producción del azúcar y el etanol será suministrada por la quema del residuo por presión de la caña de azúcar que será descargado en el proceso de producción del azúcar y el etanol a partir de la caña de azúcar. Para resolver el problema arriba mencionado, los inventores de este método se han dedicado a una entusiasta investigación y finalmente descubrieron que la optimización del método de producción usando dicha caña de azúcar con un contenido del 15% o más de componente de fibra por masa, especialmente en la región del tallo de la caña, puede proporcionar una producción de azúcar y producción de etanol en una manera tanto compatible como energéticamente eficiente. Con base en este descubrimiento, se hizo la presente invención. Es decir, la presente invención brinda un método para producir azúcar y un material útil de la caña de azúcar que comprende los siguientes pasos: (a) producir un jugo por presión a partir de la caña de azúcar y un residuo por presión de la caña de azúcar;producir azúcar y melaza a partir de dicho jugo por presión; y (b) generar energía y un material útil usando dicho jugo por presión, dicha melaza y dicho residuo por presión de la caña de azúcar como materiales fuente, que se han obtenido a través de los pasos (a) y (b) , donde dicha caña de azúcar contenga un 15% o más de componente de fibra por masa en la región del tallo de la caña y proporcione una cantidad de materia seca por unidad de área de 40t/ha/año o más; y 90% o más de la energía requerida para todos los pasos de dicho método de producción se obtiene de la energía generada por la quema de dicho residuo por presión de la caña de azúcar. De acuerdo con el método de producción de esta invención, casi toda la energía requerida en todos los procesos de producción de la presente invención se puede obtener de la energía generada por la quema del residuo por presión de la caña de azúcar. Además, la presente invención permite producir un material útil, por ejemplo, etanol, sin causar una disminución en la cantidad producida de azúcar. Ya que se puede utilizar un solo sistema para producir el azúcar y el etanol a partir de la caña de azúcar, o el material fuente, se pueden producir el azúcar y el etanol en una manera energéticamente eficiente. Ya que se puede reducir el número de procesos de cristalización que se requieren para producir el azúcar, la generación del producto químico por la reacción de Maillard se puede suprimir, evitando así el coloreo y la generación de inhibidores de la fermentación (como furfural) . Además, ya que el número de procesos de cristalización del azúcar se puede reducir, se puede reducir también la concentración de salinidad en el azúcar, que convencionalmente se ha considerado problemática en la aplicación de la melaza como material fuente de fermentación (es decir, el problema mencionado en la Patente japonesa abierta No. Sho 7-59187) , por lo que será posible emplear incluso un microorganismo fermentable que no tenga tolerancia a la sal.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Fig. 1 ilustra esquemáticamente un método para producir etanol a partir de la caña de azúcar; La Fig. 2 ilustra esquemáticamente un método para producir azúcar a partir de la caña de azúcar; La Fig. 3 ilustra esquemáticamente un método para producir etanol a partir de la melaza; La Fig. 4 muestra un ejemplo del flujo de producción para un método de producción de azúcar no refinada y melaza según la presente invención; La Fig. 5 muestra un balance de masa en la cristalización del azúcar; La Fig. 6 es un diagrama esquemático de un ejemplo de un método de producción de etanol; La Fig. 7 muestra un ejemplo del flujo de producción para un método de producción de etanol ; La Fig. 8 es un diagrama esquemático de un ejemplo de un método de producción de azúcar y etanol según la presente invención; La Fig. 9 muestra un método para calcular la energía de la combustión del bagazo; La Fig. 10 es una representación gráfica de una proporción entre un cierto número de procesos de cristalización, una cantidad de rendimiento de azúcar no refinada y una proporción de rendimiento de azúcar no refinada; La Fig. 11 es una representación gráfica de- la proporción residual de caña de azúcar en la melaza; y La Fig. 12 es una representación gráfica del HMF y la cromaticidad en la melaza.

Descripción de las incorporaciones preferidas Un método para producir azúcar y etanol, de acuerdo con la presente invención, consta de los siguientes pasos: (a) producir, a partir de la caña de azúcar, un jugo por presión y un residuo por presión de caña de azúcar; (b) producir azúcar y melaza a partir de dicho jugo por presión; (c) generar energía y un material útil usando dicho jugo por presión, dicha melaza y dicho residuo por presión de la caña de azúcar, obtenidos en los pasos (a) y (b) , como materiales fuente. Se puede realizar un proceso para preparar el jugo por presión y el residuo por presión de la caña de azúcar a partir de la caña de azúcar con cualquier método conocido para quienes dominan este procedimiento, incluyendo un proceso de presión, por ejemplo. Específicamente, una porción del tallo de la caña de la caña de azúcar cosechada se corta en piezas largas de 15 a "30 cm con una cortadora, luego se desmenuzan finamente en una desmenuzadora y se procesan con rodillos de laminación para sacar el jugo por presión. Para mejorar la tasa de producción de presión, se agrega agua en el rodillo final, para obtener por presión del 95 al 97% de contenido de azúcar. Posteriormente, se calienta el producto resultante a 80-100°C en un calentador de jugo y se trata en un baño mezclador con cal, donde se agrega cal, para que las impurezas se precipiten como sal caliza y quede un líquido sobrenadante que se concentrará por evaporación. El jugo que se obtiene así por presión incluye principalmente sucrosa, glucosa, etc. El residuo por presión de la caña de azúcar contiene principalmente celulosa, hemicelulosa, lignina, etc. Para objetos de la especificación de esta invención, el término "caña de azúcar" representa una planta perenne típicamente clasificada como Gramineae, Panicoideae, Andropogoneae o Saccharum L., incluyendo seis tipos de la misma, Saccharum spontaneum L., Saccharum officinarum L. , Saccharum robustum Jeswiet, Saccharum Barbera Jeswiet, Saccharum sinense Roxb. y Saccharum edule, así como híbridos interespecies entre éstas, e incluye también cualesquiera híbridos intergenéricos con vegetales de géneros relacionados (es decir, el género Miscanthus , el género Sorghum, el género Erianthus, el género ipidium, etc.), que contengan un 5% o mas del azúcar que se va a producir (es decir, sucrosa) . Se debe mencionar que los híbridos interespecies y los híbridos intergenéricos se denominan colectivamente como híbridos Saccharum. La caña de azúcar utilizada en el método de producción de esta invención está representada por cualquiera seleccionada de un grupo formado por los híbridos de cruza entre especies entre las plantas Saccharum L., los híbridos de la cruza intergenérica entre las plantas Saccharum L. y los géneros relacionados (es decir, el género Sorghum, el género Miscanthus, el género Erianthus, el género Ripidium, etc.), y los híbridos creados por la cruza entre tres géneros de los ya mencionados, que se caracteriza aún más por un contenido de componente de fibra del 15% por masa o mayor, de preferencia en un rango de 20 a 25% por masa, en la porción del tallo de la caña de ' la caña de azúcar, tal como se cultiva para un año de acuerdo con el cultivo de soca de la caña típico, en un campo de una zona templada. Para el caso de la caña con contenido de componente de fibra del 15% por masa o mayor, se puede obtener 90% o más de la energía que se requerirá en todos los procesos del método de producción de la presente invención de la cantidad de energía generada por la quema del residuo por presión de la caña de azúcar, como se describe arriba. De preferencia, se puede obtener el 95% o más, y 100% más preferiblemente, de la energía que se requerirá en todos los procesos del método de producción de la presente invención. A este aspecto, se puede realizar la medición del contenido de componente de fibra en la porción del tallo de la caña de azúcar de acuerdo con el método definido en el Manual Químico de Fabricación de Azúcar (Sugar Manufacturing Chemical Handbook) (publicado por la Asociación Industrial de la Melaza de Japón) . Para ilustrar un método de ejemplo, la medición del contenido de componente de fibra se puede realizar de acuerdo con el siguiente procedimiento. (1) Se desmenuza finamente en una desmenuzadora un conjunto de 10 piezas de tallo de caña de azúcar (las muestras a usar en la medición) . (2) De dicha muestra desmenuzada, se mide una porción de muestra de 500 g. (3) Dicha porción de muestra de 500 g se presiona en una prensa hidráulica. (4) Se mide la masa de residuo (peso del bagazo del que ya se extrajo el jugo por presión) , se pone el residuo en una bolsa de tela y se seca en secadora. (5) Después de secar el bagazo a 90°C por 48 horas o más, se mide la masa del bagazo después de secarlo (peso de bagazo seco) . (6) Se calcula el peso de la fibra del bagazo con la siguiente ecuación: Peso de la fibra del bagazo = Peso del bagazo seco - (peso del bagazo del que se extra o el jugo por presión - Peso del bagazo seco) x Jugo extraído por presión/ (100-Jugo extraído por presión) (7) Posteriormente, se calcula el contenido de componente de fibra con la siguiente ecuación: Contenido de componente de fibra = Peso de la fibra del bagazo/500g x 100 La caña de azúcar usada en el método de producción de la presente invención está representada por una de las variedades de alto rendimiento caracterizada por un rendimiento de materia seca de 40t/ha/año o más. Con tal cantidad de producción, no habría disminución en la cantidad de azúcar que se produciría. Además, para producir eficientemente el azúcar y el material útil, en especial el alcohol y/o plástico, la cantidad de rendimiento de materia seca por unidad de área debe ser de preferencia de 65t/ha/año o más, más preferentemente 80t/ha/año o más. La cantidad del rendimiento de la materia seca de la caña de azúcar por unidad de área se puede medir con el siguiente procedimiento, por ejemplo. (1) Se selecciona una muestra de 5 piezas de tallo de caña de azúcar de crecimiento moderado de la caña de azúcar cosechada (el muestreo debe ser cuidadoso para no retirar las hojas muertas, en la medida posible) (2) Se mide el peso bruto de cada una de las 5 piezas de tallo de caña de azúcar con las hojas muertas y/o la porción de la cabeza que queda como está. (3) La muestra de 5 tallos de caña cuyo peso bruto se midió se empaca en una red y se seca en secadora (el tiempo de secado puede variar, dependiendo de la condición real de los tallos de caña y el secado de los tallos de caña generalmente toma más tiempo que el del residuo por presión de la caña de azúcar, ya que los tallos son difíciles de secar) . (4) Después del secado, se mide la masa seca de las 5 piezas de tallo de caña. (5) Se calcula la proporción de la materia seca con la siguiente ecuación: Proporción de materia seca = Masa seca de 5 piezas de tallo de caña / Peso bruto para 5 piezas de tallo de caña x 100 (6) Se multiplica el peso bruto total de toda la producción por unidad de área (incluyendo hojas muertas y porciones de la cabeza) por la proporción de materia seca determinada para obtener la cantidad de materia seca por unidad de área. Dicha caña de azúcar utilizada en el método de producción de la presente invención puede incluir, por ejemplo, las cañas de azúcar que han sido criadas y desarrolladas por los inventores de la presente invención, incluyendo: 95GA-27, S8-42, RSp93-21 y KRSp93-30 (Akira Sugimoto, Tropical Zone Agriculture, 46, Número Extra 2, p49-50 (2002)); S3-32, S3-10, SY480; SY435, SY478 y 97S-133 (Akira Sugimoto, Tropical Zone Agriculture, 45, Número Extra 2, p57-58 (2001)); y S3-31 (Akira Sugimoto, Tropical Zone Agriculture, 45, Número Extra 2, p59-60 (2001)). En la Tabla 1 se indica el contenido de componente de fibra y la cantidad de rendimiento de materia seca para dichas variedades de caña. Se debe observar que la Tabla 1 también indica el valor promediado de las variedades comunes de cana de azúcar, junto con los datos sobre variedad convencional (NCo310) . Tabla 1 Observaciones a) : método de bloque aleatorizado de 3 repeticiones (Akira Sugimoto, Tropical Zone Agriculture, 46, Número Extra 2, p49- 50 (2002)); 2) : Periodo de cultivo de aproximadamente 9 meses, sin repetición (Akira Sugimoto, Tropical Zone Agriculture, 45, Número Extra 2, p57-58 (2001)); : Periodo de cultivo de aproximadamente 12 meses, sin repetición (Akira Sugimoto, Tropical Zone Agriculture, 45, Número Extra 2, p57-58 (2001)); 41 : Periodo de cultivo de aproximadamente 150 días, sin repetición (Akira Sugimoto, Tropical Zone Agriculture, 45, Número Extra 2, p59-60 (2001)).

Convencionalmente , las variedades recomendadas de caña de azúcar adecuadas para la producción de azúcar se han representado por aquéllas que tienen un alto contenido de azúcar de caña (sucrosa) , pero un bajo contenido de componente de fibra. Sin embargo, el método de producción de la presente invención se caracteriza porque, por el contrario, utiliza como material fuente tales variedades de caña de azúcar no recomendadas que tienen un contenido de componente de fibra más alto, del que se puede obtener casi toda la energía requerida en los procesos de producción de azúcar y el material útil, en especial el alcohol y/o plástico. Además, usando tales variedades de caña de azúcar de mayor rendimiento de materia seca como material fuente es posible incrementar la cantidad de producción de azúcar, así como del material útil (en especial el alcohol y/o el plástico) , y el método de producción de la presente invención puede lograr una mejora en la productividad y ahorrar energía en la producción de la caña de azúcar y el material útil (especialmente el alcohol y/o el plástico) , contribuyendo asi al desarrollo de las industrias relacionadas. Convencionalmente, muchas de dichas variedades de caña de azúcar que han sido oficialmente reconocidas suelen tener un alto contenido de azúcar de caña (sucrosa) que se usa como material fuente para el azúcar, así como un bajo contenido de fibra en ¦ la porción del tallo, buscando mejorar la productividad. Hay algunas variedades que se caracterizan por una cantidad total de producción alta, bajo contenido de azúcar de caña y alto contenido de componente de fibra entre los recursos genéticos que se han creado por las actividades de cruza. Algunas de ellas todavía no se consideran como variedades oficialmente reconocidas por las razones arriba indicadas. Si dichas variedades no registradas de recurso genérico de caña de azúcar se usaran con el sistema actual, debido a la gran cantidad de residuo por presión de la caña de azúcar que se generaría, toda la energía requerida en el proceso de producción se podría obtener por la quema del residuo de caña de azúcar por presión y se podría compensar el contenido insuficiente de azúcar de caña por el incremento en la cantidad total de producción. De preferencia, la caña de azúcar que se va a utilizar . en el sistema actual está representada por una con una proporción de azúcar a producir (sucrosa) del 7% por masa o mayor en la región del tallo de la caña, junto con un total de azúcar del 10% por masa o mayor . El proceso para producir el azúcar y la melaza a partir de dicho jugo por presión se puede realizar con cualquiera de los métodos conocidos por quienes dominan el procedimiento, por ejemplo, por la cristalización del azúcar. Específicamente, dicho jugo por presión se calienta y concentra en pequeñas porciones (0.5-lkl) bajo vacío por succión, que se repite para tomar cristales de azúcar mayores de un cierto tamaño. Luego, se aplica un separador centrífugo para separar el cristal de azúcar y la melaza. La Fig. 4 muestra un ejemplo de flujo de producción del método de producción del azúcar no refinada y la melaza, según la presente invención. De preferencia, dicho proceso de cristalización del azúcar se puede realizar 2 veces o menos. Según se ilustra en la Fig. 5, en los ciclos de cristalización del azúcar, la cantidad de azúcar y, por lo tanto, la eficiencia energética, pueden disminuir por el incremento en los ciclos del proceso. En la presente invención, usando la caña de azúcar arriba indicada, se permite una producción eficiente de etanol, incluso aplicando 2 veces o menos el proceso de cristalización del azúcar, pero con la venta a de que no disminuye la cantidad de azúcar por producir. Además, se puede suprimir el inhibidor de fermentación del etanol, que se debe incrementar en proporción con el ciclo del proceso de cristalización. En la presente invención, se puede realizar preferiblemente una sola vez el proceso de cristalización del azúcar. Se puede realizar el proceso de generar la energía y el material útil usando el jugo por presión, la melaza y el residuo por presión de la caña de azúcar como materiales fuente obtenidos de los ya mencionados pasos (a) y (b) por cualquiera de los métodos conocidos por quienes dominan el procedimiento. El material útil aquí indicado representa un combustible y los materiales hechos a partir del azúcar y la celulosa vegetal tomados como los materiales base, incluyendo, por ejemplo, alcohol (como el metanol, el etanol y el butanol) ; un gas inflamable (como el metano o el hidrógeno) ; plástico biodegradable hecho a partir del azúcar (como el ácido poliláctico y el polihidroxi-alcanoato) , tomados como los materiales base; y una sustancia funcional de la producción microbiana, como los aminoácidos y las proteínas. En una incorporación de la presente invención, se puede realizar el proceso de producción de etanol a partir de la melaza por cualquier método conocido por quienes dominan el procedimiento. En cuanto al método de producción de etanol, dicho método se ha practicado comúnmente, y en él se procesa la melaza por medio de un microorganismo fermentable como la levadura, para producir el etanol. Además, el método utilizado para la fermentación puede incluir un método de lote en el que el microorganismo fermentable y la melaza se mezclan en una proporción específica para que se presente la fermentación, así como un método serial, en el que se inmoviliza el microorganismo fermentable y luego se agrega la melaza de manera continua para que ocurra la fermentación. Además, en cuanto al método para separar el etanol producido por refinación, se conocen un método de destilación y un método de separación de membrana. A manera de ejemplo, se puede realizar el proceso según el siguiente método (ver Fig. 6 y Fig. 7} . 1) El microorganismo fermentable: levadura No. 7 de la Sociedad de Cerveceros de Japón, por ejemplo, (Saccharomyces cerevisiae) . 2) El método de fermentación: La levadura se inmoviliza en un gel de alginato de calcio y se realiza el proceso de fermentación a una temperatura de entre 10 y 20°C. El etanol producido se separa y refina por destilación y por el proceso de separación de membrana. 3) La solución de cultivo: La melaza se diluye de manera correspondiente con la concentración de azúcar al 20% para la aplicación. La Fig. 8 muestra esquemáticamente un ejemplo del método de producción de azúcar y etanol según la presente invención.

Se debe observar que cualquier exceso de residuo por presión de caña de azúcar que se haya producido en exceso de la cantidad requerida para generar la energía necesaria para el proceso se pude sacarificar usando el método conocido por quienes dominan el procedimiento, de manera que se pueda utilizar como nuevo material fuente para la fermentación. El proceso de sacarificación del residuo por presión de la caña de azúcar se puede realizar, por ejemplo, por hidrolización con ácido, sacarificación con una enzima como la celulasa y la hidrolización con agua a alta temperatura y alta presión. Específicamente, en la hidrolización con ácido, el residuo por presión de la caña de azúcar se puede sumergir en el ácido, como el ácido clorhídrico o el ácido sulfúrico, para causar la descomposición del enlace gluocosídico en la celulosa, que es un componente primario del residuo por presión de la caña de azúcar, para obtener así la glucosa. El ácido usado se puede recuperar y reutilizar. En la sacarificación con enzima celulasa, por ejemplo, el residuo por presión de la caña de azúcar se puede aplastar, someter a pretratamiento e" tratamiento con álcali o similar, para luego procesarlo con la celulasa y convertir la celulosa, que es el componente primario del residuo por presión de la caña de azúcar, en glucosa. En la hidrolización con agua a alta temperatura y alta presión, por ejemplo, el residuo por presión de la caña de azúcar se puede introducir en el agua a alta temperatura y alta presión, en un estado subcritico o supercrítico, a una temperatura de 300°C o mas, para descomponer así la celulosa, que es el componente primario del residuo por presión de la caña de azúcar, para obtener la glucosa. Ejemplo 1; Producción de azúcar y etanol (Proceso de presión) Las porciones del tallo de la caña de azúcar cosechada (97S-133) se cortan con cortadora (13 a 72 cuchillas, 375-675 rpm) en piezas de 15-30 cm de largo · y luego se desmenuzan finamente en una desmenuzadora . La caña de azúcar desmenuzada se presiona en un rodillo de laminación formado por juegos de tres rodillos en configuración cuádruple (12 rodillos) o quíntuple (15 rodillos) , para extraer por presión el jugo sacárico de la caña de azúcar. Para mejorar la tasa de extracción por presión, se puede suministrar agua al último juego de rodillos para que se pueda extraer por presión, del 95 al 97% del contenido sacárico. La concentración de azúcar en el jugo extraído por presión está en el rango de Bxl3 a 15. Posteriormente, se calienta el jugo sacárico a 80-100°C en el calentador de jugo (área efectiva de calentamiento de 4m2) y se coloca en un baño de mezclado con cal, donde se agrega ceniza (pH 7.6-8.0, 0.07%CaO (en proporción con la caña de azúcar)) al jugo sacárico para precipitar cualesquiera impurezas (se suministra liquido sobrenadante al proceso de concentración) y luego se filtra con un filtro Oliver (velocidad de mezclado de 6 rpm, cantidad de costra de 2-4% (en proporción con la caña de azúcar), volumen de lavado: 150% de la costra, componente sacárico de la costra: 0.8-1.7%) y se envía el líquido filtrado al proceso de concentración. El líquido sobrenadante y el líquido filtrado se concentran de manera continua por evaporación bajo una condición de vacío en un recipiente cuádruple de servicio para obtener así el jugo por presión (Bx60) . (Proceso de cristalización) En el recipiente de cristalización del azúcar, cada pequeña porción (0.5-lkl) del jugo por presión obtenido en el proceso de concentración se calienta y concentra bajo vacío por succión, lo que se repite para sacar cristales de azúcar de cierto tamaño (Bx92-93) . Posteriormente, se usa un separador centrífugo para separar cierta cantidad del mismo (200-400 litros) del cristal de azúcar y la melaza (1200-1500 rpm, ciclo de 5-10 minutos, red inferior calibre 8, red superior de 0.35). (Proceso de producción del etanol) Se plantó la cepa pura de la levadura separada (Levadura No. 9 de la Sociedad de Cerveceros de Japón) en un tubo de ensaye con un medio de cultivo para cultivo avanzado 1 (glucosa al 2.0% (p/v) , Base de nitrógeno de levadura (p/o: AA-AS) 0.17% (p/v), sulfato de amoniaco 0.5% (p/v)), y se sometió a cultivo por oscilación a 30°C durante 12 horas (125 rpm) . Posteriormente, se plantó la levadura en un matraz Sakaguchi (cantidad de 500 mi) con un medio de cultivo para cultivo avanzado 2 (glucosa al 2.0% (p/v), extracto de levadura al 1.0% (p/v), Peptona- Baeto al 2.0% (p/v)) para producir 2x10s cel/ml, y luego se sometió a cultivo por oscilación a 30°C durante 6 horas (125 rpm) , recolectando así la levadura en el periodo de crecimiento logarítmico (después de la cuarta generación de crecimiento) para la fermentación.

La levadura así obtenida se plantó para producir 2x107 cel/ml, luego se transfirió a un medio de cultivo para la fermentación de 500ml en un matraz Erlenmeyer, donde se fermentó a 30°C para obtener el etanol . Se preparó la melaza separada en el proceso de cristalización para producir la concentración sacárica de 10% (p/v) , que se utilizó a su vez como medio de cultivo para fermentación. Se dejó bajo condiciones anaerobias durante 3 días para la fermentación. Después de completada la fermentación, se filtró el liquido fermentado con un filtro de membrana con un diámetro de perforación de 0.45 µp?, luego se midió la concentración de etanol mediante cromatografía de gases. Se obtuvo el líquido fermentado de etanol al 4.5% (p/v) . Ejemplo 2: Cálculo de cantidad y energía producidas que se obtienen a partir de la caña de azúcar de alto rendimiento 95GA-27 y de la variedad convencional (caña de azúcar de variedad común) Se calcularon la cantidad de · producción de azúcar no refinada y etanol, así como la cantidad generada de la energía obtenible de la caña de azúcar de alto rendimiento 95GA-27 y de la variedad convencional (caña de azúcar de la variedad común) para los diversos ciclos del proceso de cristalización. Los ejemplos 1 a 3 representan un caso en el que se quemó toda la cantidad del bagazo obtenible; los ejemplos 4 a 6 representan un caso en el que se quemó cierta cantidad del bagazo para obtener la energía requerida, y la cantidad restante de bagazo se usó, después del proceso de sacarificación, para la producción de etanol; los ejemplos comparativos 1 a 3 representan un caso en el que se quemó toda la cantidad obtenible de bagazo. La Tabla 4 muestra los resultados del cálculo. Se debe notar que los valores respectivos se calcularon de la siguiente manera: (1) Cantidades de producción de azúcar no refinada, etanol y bagazo. Se usaron los datos indicados en la Tabla 2 para calcular las cantidades de producción de azúcar no refinada, etanol y bagazo, respectivamente, usando las siguientes ecuaciones.

© Cantidad de producción de azúcar no refinada [t/ha] = Cantidad de producción por ¦ unidad ¦ de caña de azúcar [t/ha] x Proporción de azúcar por producir [%] /100 x Eficiencia de presión [%]/l00 x (100-Pérdida por purificación) [%]/lO0 x Proporción de rendimiento de cristalización [%] /100 x (100-Pérdida por centrifugación) [%] /100; © Cantidad de azúcar a producir en la melaza [t/ha] - Cantidad de producción por unidad de caña de azúcar [t/ha] x Proporción de azúcar por producir [%]/l00 x Eficiencia de presión [%] /100 x (100-Pérdida por purificación) [%] /100 x (100-Proporción de rendimiento de cristalización) [%]/100 x (100-Pérdida por centrifugación) [%] /100; (D Cantidad de azúcar que no se va a producir en la melaza = Cantidad de producción por unidad de caña de azúcar [t/ha] x Proporción de azúcar que no se va a producir [%] /100 x Eficiencia de presión [%]/l00 x (100-Pérdida por purificación) [%]/100 x (100-Pérdida por centrifugación) [%]/l00; © Cantidad de producción de etanol [Kl/ha] - (Cantidad de azúcar a producir en la melaza [t/ha] x 0.69 [kL/t] + Cantidad de azúcar que no se va a producir en la melaza [t/ha] x 0.655 [kL/t]) x Eficiencia de la fermentación [%] /100 ' - © Cantidad de producción de bagazo [t/ha] = Cantidad de producción por unidad de caña de azúcar [t/ha] x Contenido de componente de fibra [%] /100 x 100/(100-Contenido de humedad) [%] Azúcar que se va a producir (sucrosa) C12H22Oii + ¾0 ? 4C2H50H + 4C02 lmol(342g) 4mol (184g) Azúcar que no se va a producir (glucosa, fructosa) C6H1206 ? 2C2H50H + 2C02 lmol(180g) 2mol (92g) Cantidad teórica producida - Azúcar que se va a producir 1 [g] ? Etanol 0.538 [g] =0.690 [mi] Azúcar que no se va a producir 1 [g] ? Etanol 0.511 [g] =0.655 [mi] Tabla 2: Datos utilizados para el cálculo Eficiencia de la presión 95% Pérdida por purificación 1.5% Proporción de Una vez 71.7% rendimiento de Dos veces 87.5% cristalización Tres veces 95.4% Pérdida por Azúcar que se va a 5% centrifugación producir Azúcar que no se va a 10% producir Eficiencia de la fermentación 95% Contenido de humedad del bagazo 50% (2) Energía de la combustión del bagazo La energía de la combustión del bagazo se calculó según la consideración teórica ilustrada en la Fig. 9. La energía de la combustión del bagazo que se obtuvo fue de 1.85 ton por una tonelada de bagazo en la representación del volumen de vapor,- y 74kWh por tonelada de bagazo en la representación de generación de electricidad. (3) Energía necesaria para producir azúcar no refinada El volumen de vapor requerido para producir azúcar no refinada se determinó como el volumen de vapor por una tonelada de material fuente, con base en la consideración de la energía de la combustión del bagazo que se describe arriba, desde el punto de vista del consumo de combustible para el bagazo y el aceite pesado en la tabla de la página 80 de "Heiseí 13/14, Sugar production record by sugar cañe and sweet potato" (Heisei 13/14, Registro de producción de azúcar a partir de la caña de azúcar y la batata) (Agricultura, Silvicultra y Pesca, Prefectura de Okinawa) . Además, la generación de electricidad requerida para la producción del azúcar no refinada se determinó - con base en los datos indicados en la página 43 de "Raw sugar production method" (Método de producción de azúcar no refinada) (de Takeo Yamane, publicado por Sugar Production Technology Study Group) . Además, el volumen de vapor y la generación de electricidad para el ciclo del proceso de cristalización que se redujo a una y dos veces se calcularon con base en los datos indicados en la Tabla 2-1 y la Tabla 2-3 de las páginas 41-43 de "Raw sugar production method" (Método de producción de azúcar no refinada) (de Takeo Yamane, publicado por Sugar Production Technology Study Group) . Esto es, la energía correspondiente a cada parte de la "decocción de azúcar, estimulación de la cristalización y curado del azúcar" del proceso de cristalización se dividieron en tres y se asignaron dependiendo del número de ciclos para el cálculo. La Tabla 3 muestra el volumen de vapor obtenido asi como la generación de electricidad requerida para la producción del azúcar no refinada. Tabla 3 : Energía requerida para la producción de azúcar no refinada Volumen de vapor Energía eléctrica requerido requerida [t-vappor/t-azúcar [kWh/t-azúcar de de caña] caña] cristalización, 3 0.470 18.0 veces cristalización, 2 0.418 16.7 veces cristalización, 1 0.366 15.4 vez (4) Energía requerida para la producción de etanol. El volumen de vapor y la generación de electricidad requeridos para la producción de etanol se determinaron a partir de un promedio de los datos de producción B, C y D indicados en la Tabla 11 de la página 262 de "By-product in sugar production industry - Introduction to industrial use -" (Derivado de la industria de producción de azúcar -Introducción al uso industrial) (Asociación de la Industria de la Melaza de Japón) . La energía obtenida es de 5.38 toneladas por lkL de etanol en la representación del volumen de vapor y 120kWh por lkL de etanol en la representación de la generación de electricidad.

Producción de [t/ha] 18.66 22.39 29.85 27.14 32.29 40.04 7.87 10.12 14.60 etanol Consumo de Producción de [kWh/ha] 2925 2714 2503 2925 2714 2503 1165 1080 996 energía azúcar no refinada eléctrica Producción de [kWh/ha] 416 499 666 605 720 893 176 226 326 etanol Contribución de Proporción de [%] 130 136 138 100 100 100 83 86 83 energía de la contribución de combustión del vapor del bagazo al bagazo consumo total de energía Proporción de [%] 148 153 156 117 117 117 95 98 96 energía eléctrica generada por el bagazo al consumo total de energía * 1 Calculado aplicando la misma proporción c .e cantidad c .e rene imiento de materia seca/cantidad de rendimiento por unidad de 95GA- considera equivalente a 95GA Según se deduce de la Tabla 4, usando el método de la presente invención, se puede incrementar en gran medida la cantidad de producción de etanol comparado con el método anterior; además, usando, el método de la presente invención se puede obtener todo el volumen de vapor y la generación de electricidad que se requieren para la producción de azúcar no refinada y la producción de etanol mediante la energía de la combustión del bagazo, mientras que con el método convencional era imposible obtener toda la energía requerida para la producción del azúcar no refinada y la producción del etanol a partir de la energía de la combustión del bagazo. Ejemplo 3: Producción de azúcar no refinada y melaza usando la caña de azúcar de alto rendimiento, 95GA-27 (escala de laboratorio) (1) Presión de la caña de azúcar/clarificación del jugo por presión Se cortaron porciones del tallo de la caña con un peso aproximado de 3kg de la caña de azúcar cosechada (95GA-27) con una desmenuzadora, y luego se presionaron con una unidad de rodillos de laminación cuádruple, obteniendo así un jugo por presión de 2L (concentración de azúcar de Bx=15.2) . El jugo obtenido por presión se transfirió a un matraz de Erlenmeyer de 3L y se calentó a 70 °C en un baño de agua, luego se agregó 1.00 g (0.05% en proporción con el peso del jugo por presión) de Ca(OH)2 Y se agitó por 30 minutos para precipitar las impurezas ahí contenidas. Posteriormente, se separó por centrifugación la composición resultante con un separador centrífugo de rotor en ángulo a 8000 rpm durante 10 minutos, para separar el jugo por presión sobrenadante clarificado y el sedimento. (2) Concentración y cristalización del jugo por presión clarificado El jugo por presión clarificado obtenido mediante el proceso arriba mencionado, se concentró en un evaporador giratorio con una capacidad de 3L, a una temperatura de 50°C dentro del matraz bajo vacio por succión (70-110mmHg) durante 4 horas (contenido de humedad evaporado de 1700mL) , obteniendo así aproximadamente 300mL de jarabe concentrado (Bx=80.0) . (3) Cristalización del jarabe concentrado Se agregaron 50g de azúcar comercial (tamaño de los granos de 250-500 µp?) al jarabe concentrado como semilla de cristales y se cristalizó a una temperatura de 50°C en el matraz bajo vacío por succión (120mmHg) durante 4 horas. (4) Separación del azúcar no refinada y la melaza La mezcla de azúcar y melaza obtenida en el proceso arriba indicado se separó por centrifugación en un separador centrifugo de pared perforada con una tela de filtro de 50-100 µ?? a 3000 rpm durante 20 minutos, separando así el azúcar cristalizada (primer azúcar) y la melaza (primera melaza) . El primer azúcar recuperado se secó y enfrió durante la noche y se pesó para determinar la cantidad de producción restando la cantidad de semillas de cristal agregadas. (5) Recristalización de la melaza Se agregó agua a la melaza obtenida en el proceso anterior (la primera melaza) para obtener Bx=80 y luego se repitieron los procesos (3) y (4) para obtener un segundo azúcar y una segunda melaza. Después de volver a agregar agua, se volvieron a repetir los procesos (3) y (4) para obtener un tercer azúcar y una tercera melaza (melaza) . La Fig. 10 ilustra la proporción entre el número de ciclos del proceso de cristalización y la proporción del rendimiento del azúcar no refinada. Como se deduce de la Fig. 10, la proporción de rendimiento del azúcar no refinada es de aproximadamente 70% para el primer azúcar y aproximadamente del 90% para el primer azúcar adicionado con el segundo azúcar.

Para la melaza obtenida en el proceso anterior (la primera melaza y la segunda melaza) , se midieron la proporción residual de azúcar de caña, la cantidad generada de HMF (furfural hidroximetilo) que representa un inhibidor de la fermentación, y la cromaticidad y se compararon con los valores correspondientes de la melaza (tercera melaza) obtenida con el método convencional . Se calculó la proporción residual de azúcar de caña restando las proporciones de rendimiento de los azúcares cristalizados respectivos con base en la suposición de que el volumen de azúcar de caña contenido en el jarabe concentrado del ejemplo I es del 100%. En cuanto al HMF, se determinó de acuerdo con el método descrito en la página 682 del "Manual del Azúcar" (Sugar Handbook) (editado por Ei iro Hamaguchi yYoshito Sakurai, Asakura Book Company, 1964) (es decir, el método en el que se determina la diferencia entre la absorbancia de la longitud de onda de 284 µt? y la absorbancia de la longitud de onda de 245 rrvu a partir de una curva analítica de una concentración conocida) . Después de que se diluyó el objeto en agua a 30 veces y se colocó en una celda de cuarzo, se determinó la cromaticidad con un colorímetro (EBC) . La Fig.

II y Fig. 12 muestran los resultados.

A partir de la Fig. 11, se puede ver que la proporción residual del azúcar de caña es mayor con menor número de ciclos del proceso de cristalización, mientras que si se utiliza como material fuente para la fermentación de etanol, la cantidad de rendimiento de etanol se incrementará. Además, a partir de la Fig. 12 podemos ver también que la cantidad generada de HMF, un inhibidor de la fermentación, y la cromaticidad disminuyen con un menor número de ciclos del proceso de cristalización. Esto es, usando la melaza que se sometió a un menor número de procesos de cristalización muestra una mejor fermentación y reduce el problema de color en el agua de drenaj e .

Claims (10)

1. LO QUE SE REIVINDICA ES: 1. Un método para producir azúcar y un material útil a partir de la caña de azúcar, que consta de los siguientes pasos : (a) producir un jugo por presión a partir de la caña de azúcar y un residuo por presión de la caña de azúcar; (b) producir azúcar y melaza a partir de dicho jugo por presión; y (c) generar energía y un material útil usando dicho jugo por presión, dicha melaza y dicho residuo por presión de la caña de azúcar, obtenidos en los pasos (a) y (b) , como materiales fuente, en el que dicha caña de azúcar contenga un 15% o más de componente de fibra por masa en la región del tallo de la caña y proporcione una cantidad de materia seca por unidad de área de 40t/ha/año o más; y 90% o más de la energía requerida para todos los pasos de dicho método de producción se obtenga de la energxa generada por la quema de dicho residuo por presión de la caña de azúcar.
2. 2. Un método de la reivindicación 1 en el que se selecciona dicho material útil del grupo formado por alcohol, gas inflamable, plástico biodegradable hecho a partir de azúcar tomados como materiales base, y una sustancia funcional de producción microbiana.
3. 3. Un método de la reivindicación 1 en el que dicho material útil es alcohol o plástico biodegradable hecho a partir de azúcar tomados como materiales base.
4. 4. Un método de la reivindicación 1 en el que dicha caña de azúcar contiene de 15 a 25% de componentes de fibra por masa en la región del tallo de la caña.
5. 5. Un método de la reivindicación 1 en el que dicha cantidad de rendimiento de materia seca por unidad de área es de 65t/ha/año o mayor.
6. 6. Un método de la reivindicación 1 en el que dicha cantidad de rendimiento de materia seca por unidad de área es de 8Ot/ha/año o mayor.
7. 7. Un método de la reivindicación 1 en el que dicho paso (c) incluye un proceso para producir etanol a partir de dicha melaza que se obtuvo en el paso (b) .
8. 8. Un método de la reivindicación 7 en el que dicho paso (b) consta de dos o menos ciclos del proceso de cristalización del azúcar.
9. 9. Un método de la reivindicación 8 en el que dicho paso (b) consta de un ciclo del proceso de cristalización del azúcar.
10. 10. ün método de la reivindicación 7 en el que 95% o más de la energía requerida que se consumirá en todos los pasos de dicho método de producción se obtiene de la energía generada por la quema de dicho residuo por presión de la caña de azúcar. RESUMEN Un objetivo de la presente invención es proporcionar un método para producir azúcar y etanol a partir de la caña de azúcar, en el que casi toda la energía que se consumirá en el proceso de producción del azúcar, el etanol y similares se puede suministrar mediante la energía obtenida por la quema del residuo por presión de la caña de azúcar, pero sin disminuir la cantidad de azúcar a producir. La presente invención proporciona un método para producir azúcar y un material útil de la caña de azúcar, y consta de los siguientes pasos : (a) producir un jugo por presión a partir de la caña de azúcar y un residuo por presión de la caña de azúcar; (b) producir azúcar y melaza a partir de dicho jugo por presión; y (c) generar energía y un material útil usando dicho jugo por presión, dicha melaza y dicho residuo por presión de la caña de azúcar obtenidos de los pasos (a) y (b) como materiales fuente, en el que dicha caña de azúcar contenga un 15% o más de componente de fibra por masa en la región del tallo de la caña y proporcione una cantidad de materia seca por unidad de área de 40t/ha/año o más; y 90% o más de la energía requerida para todos los pasos de dicho método de producción se obtiene de la energía generada por la quema de dicho residuo por presión de la caña de azúcar