Acer saccharum (arce azucarero) Savia y congelación

Question

Puede que ésta sea o no la disciplina científica adecuada para plantear esta pregunta, pero voy a intentarlo. Invitaré gustosamente a los químicos a que intervengan.

Es hora de volver a aprovechar los arces azucareros en el noreste de EE.UU. Lo que esencialmente extraemos de los árboles a través de los grifos es una solución azucarada que, mediante ósmosis inversa y evaporación, produce jarabe de arce. Pero hay una vieja tradición que me preocupa un poco. Cuando se cuelgan cubos (un método de recolección en vías de extinción, normalmente las grandes explotaciones utilizan tubos), la savia se recoge a medida que el día calienta. Por la noche, y especialmente en las noches muy frías, gran parte de la savia se congela. He observado que muchos viejos productores de savia tiran el hielo, a veces una cantidad considerable, diciendo que lo que queda es agua azucarada más concentrada, y que el hielo es agua pura.

Pero no estoy seguro de creerlo. En primer lugar, la mayor parte de la savia es una solución azucarada del 2% al 6%, lo que significa que, al 2%, necesitarás aproximadamente 43 galones de savia para producir 1 galón de sirope. El jarabe se define como > o = 66% de azúcar (sacarosa). Y he visto savia pasada por ósmosis inversa (que es entonces alrededor del 10% de azúcar), congelarse después de una noche bajo cero.

Con esa abultada introducción, mis preguntas son las siguientes: Suponiendo que tienes 1 litro de agua pura, vs 2% de savia, vs 10% de savia (solución supongo), a qué temperaturas empezará a congelarse cada solución.

En segundo lugar, cuando cualquiera de estas soluciones se congela, ¿es sólo el agua pura la que se congela inicialmente? ¿O el hielo es en realidad una mezcla de sacarosa y agua pura? Y si se está separando el agua pura de la sacarosa, formando una solución más concentrada, ¿a qué temperatura o tiempo (de nuevo, suponiendo 1 litro y una presión atmosférica constante) empezará a congelarse la solución más concentrada?

Por último, muchos cubos y la savia tienen muchas partículas. Esto puede ir desde bichos a astillas de madera, pasando por trozos de polvo, suciedad y corrosión. Aunque pueda parecer un tema aparte, esto también puede influir en los índices de congelación y debe tenerse en cuenta al intentar responder a esta pregunta.

La cuestión es ésta: No queremos tirar la valiosa sacarosa que nos proporciona el árbol, pero queremos ser más eficientes a la hora de eliminar el agua de la solución para formar el jarabe. Tirar el hielo que se forma en los cubos durante la noche, ¿ayuda a esa eficiencia, o en realidad estamos tirando sacarosa valiosa que podría convertirse en jarabe?

Answer 1

¿El hecho de tirar el hielo que se forma en los cubos durante la noche contribuye a esa eficiencia, o en realidad estamos tirando sacarosa valiosa que podría convertirse en jarabe?

Hay una forma fácil de comprobarlo: tomar una muestra del hielo desechado, derretirlo, medir el volumen $V$ evaporarlo hasta que sólo queden sólidos, pesar los sólidos y calcular el porcentaje de sólidos disueltos, $X=m/V$ .

Esto le dará una medida más directa (y más precisa) de la cantidad exacta que está tirando que los cálculos teóricos, y es temporada de sirope, por lo que debería ser muy conveniente realizar el experimento.

Sospecho que hay algo de azúcar adherido al hielo (ya sea en la superficie o atrapado en bolsas intersticiales que se forman durante la congelación debido a la precipitación de solutos), y este azúcar se perderá en el proceso. Sin embargo, el hecho de que sea rentable en comparación con el gasto energético adicional que supondría evaporar el hielo desechado dependerá en gran medida del contenido total de sólidos disueltos. $X$ y el precio de mercado del jarabe de arce.

Si obtienes una cifra tras evaporar una muestra del hielo, no dudes en publicarla; sería fácil calcular si se trata de un proceso de coste positivo o negativo.

Answer 2

Cada mol de sacarosa en un kilogramo de agua reduciría el punto de congelación del agua en 1,85 grados C, según la ley de Blagden (que es más válida a bajas concentraciones).

El peso molecular de la sacarosa es de 342 gramos/mol.

Así, la sacarosa al 2% debería congelarse en torno a -0,1 C y la sacarosa al 10% a -0,5 C.

La congelación fraccionada de la uva aumenta la concentración de azúcar en la producción de eisvien (vino de hielo). Es probable que ocurra algo parecido con el sirope de arce. Ciertamente, se perdería algo de contenido de azúcar al tirar el hielo. El hielo no es agua pura, sólo tiene una menor concentración de azúcar que la fase líquida.

Answer 3

Lo he medido con un refractómetro. Este año mi nivel de azúcar ha rondado el 3% para la savia. He aislado el hielo y he medido su contenido de azúcar y es definitivamente más bajo (alrededor del 2%), por lo que todavía hay una buena cantidad de azúcar en el hielo. Una anécdota interesante es que así es como los nativos americanos hacían su jarabe de arce, desnatando el hielo cada mañana para purificarlo.