Análisis Térmico de un destilador simple en el proceso de producción de mezcal tipo artesanal

Abstract

La elaboración de mezcal está integrada por varias operaciones unitarias como: cosecha, horneado, molienda, fermentación y destilación. Cada operación es importante, y en gran medida, depende de cada una el producto final. Sin embargo, una operación clave durante el proceso es el destilado, el cual garantiza que la bebida sea apta para el consumo humano. El mezcal es una bebida que desencadena una serie de actividades que activan la economía, desde la explotación de los campos para la obtención de la materia prima, hasta la venta del producto. Además de tener un impacto económico positivo en la región, esta actividad es netamente ecológica, pues está comprobado que el cultivo de agave ayuda en gran medida a la captación de CO2 del ambiente, pudiendo mitigar el calentamiento global, además que el cultivo requiere muy poca agua a diferencia de otros que son más exigentes ("Regeneration International", 2020). Del mismo modo, Ramírez-Sorroza (2018) encontró que el bagazo de agave es un biomaterial potencial con excelentes propiedades térmicas y altamente biodegradable a diferencia de otros materiales que tienen características muy similares (Ramírez-Sorroza, 2018). Sin embargo, la zona mezcalera de Oaxaca presenta una falta de mecanización, siendo todos sus procesos de elaboración meramente artesanales, por lo que es necesario eficientizar dichos procesos con el fin de obtener un producto de calidad y buenas ganancias monetarias. García-Vásquez et al. (2018) realizaron un estudio sobre distintos sistemas de producción en el Distrito de Tlacolula, detectando una gran experiencia en los productores, al tratarse de palenques familiares. El conocimiento en estos palenques ha sido transmitido de generación en generación, sin permitir que existan cambios significativos y que ayuden en la mejora de los procesos, lo que abre una oportunidad para hacerlo. 2 El abandono paulatino de los campos de producción ha conducido que exista un desabasto de agave siendo uno de los contribuyentes al encarecimiento del mezcal (Bautista, Orozco-Cirilo, y Terán-Melchor, 2015). Sin embargo, el mezcal tiene una gran ventaja al ser elaborado a partir de una amplia variedad de agaves (Agave angustifolia, Agave esperrima, Agave weberi, Agave potatorum, Agave salmiana, entre otros) de acuerdo con la Norma Oficial Mexicana NOM-070-SCFI-1994, a diferencia del tequila que solo puede ser elaborado a partir de Agave tequilana, mejor conocido como agave azul. La destilación es un proceso muy antiguo, que es implementado para la extracción de distintos fluidos (agua, agua de rosas, perfumes, combustibles, aceites comestibles y esenciales, entre otros), sin embargo, para el mezcal, los estudios son muy limitados, pues se trata de una bebida con denominación de origen en México (Carrillo-Trueba, 2007). Existen diferentes tipos de destilación, dentro de ellas la destilación simple es la más conocida para la obtención del mezcal. Sin embargo, los estudios de sistemas de destilación simple son muy escasos y existe información muy limitada (Sacher, García-Llobodanin, López, Segura, & Pérez-Correa, 2013). Por otro lado, los tipos de destilación continua y por lotes, son los más utilizados debido a las ventajas que estos ofrecen (Kim & Seo, 2014; Carvallo et al., 2011). Sin embargo, la destilación simple aún sigue siendo un reto que mejorar, para quienes aún la utilizan y que por cuestiones de costos no pueden emplear una más sofisticada. Esto abre una oportunidad para poder hacerlo, ya que hasta ahora la destilación simple carece de control en cuanto a la temperatura interna de la olla, la cual define los grados alcohol de salida. El estudio del análisis térmico de la destilación es de gran importancia, ya que a partir de éste se pueden obtener resultados que ayuden a implementar innovaciones para lograr mayor eficiencia en el uso de energía. Existen estudios de simulación para esta operación unitaria con programas como ANSYS, Aspen Plus, Prosim, entre otros, donde es necesario que previamente se haya realizado el trabajo anterior para obtener resultados exitosos (Kim & Seo, 2014). Sacher et 3 al. (2013) y Scanavini et al. (2009) presentaron en sus respectivas investigaciones la ecuación para obtener las pérdidas energéticas únicamente por convección de la olla. Lo que abre oportunidad para realizar el análisis del resto del sistema y tomar en cuenta las pérdidas por radiación y conducción. Algunos de los autores que han trabajado en esta área como Sacher et al. (2013) propusieron un modelo de equilibrio de fases para predecir la captación de distintos compuestos aromáticos obtenidos a partir de un destilador tradicional. Dichos autores modelaron la recuperación del etanol, así como la dinámica de condensación y los procesos de transferencia de calor, donde obtuvieron valores de bajo error en la predicción con respecto de los valores medidos. Así también, Osorio et al. (2004), desarrollaron un modelo para describir la destilación de aguardiente de pisco con una destilación discontinua reactiva multicomponente, donde el enfoque de simulación convirtió un sistema de ecuaciones algebraicas diferenciales a un conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias, para después resolverlas y reemplazarlas con redes neuronales. De acuerdo con Osorio et al. (2004), la composición de la mezcla depende directamente de la temperatura y de la presión de equilibrio. Por otro lado, Valderrama et al. (2012) modelaron y simularon un sistema de destilación por columna con el fin de obtener los componentes de mezclas complejas. En dicho estudio emplearon redes neuronales para correlacionar datos experimentales, sin embargo, los resultados tienden a ser variables y no se pueden hacer generalizaciones. Los autores aseguraron que la concentración de componentes en el fluido depende de la temperatura a la cual se destila. Con este antecedente, se pretende que esta investigación contribuya a entender mejor el proceso de destilación del mezcal para lograr una reducción en el tiempo de proceso y un mayor control en los grados de alcohol en el destilado. Se propone como objetivo general: Analizar la transferencia de calor en un destilador simple en un proceso de producción de mezcal tipo artesanal. Los objetivos particulares son: a) Plantear una metodología para obtener un balance de energía en un destilador simple de mezcal tipo artesanal; b) Elaborar un monitor 4 de temperatura ; c) Monitorear la temperatura en distintas partes del destilador simple de mezcal tipo artesanal; d) Medir el contenido de alcohol en el mezcal durante el proceso de destilación. Esta investigación consta de tres capítulos. El primer capítulo presenta la introducción general compuesto de antecedentes, problema de estudio, hipótesis y objetivo general y particulares. El capítulo dos presenta una breve revisión de literatura con respecto al problema que se estudia. El capítulo tres consta de un artículo titulado: “Análisis térmico de un destilador simple en el proceso de producción de mezcal tipo artesanal”, donde además de presentar una metodología completa para la obtención de pérdidas energéticas del sistema, también se presentan mediciones con respecto a temperatura y grados de alcohol, y el balance de energía con los datos obtenidos en campo.