蔗糖無(wú)硫澄清工藝與設(shè)備優(yōu)化研究

康麗

蔗糖無(wú)硫澄清工藝與設(shè)備優(yōu)化研究

康麗

（桂林航天工業(yè)學(xué)院 能源與建筑環(huán)境學(xué)院，廣西 桂林 541004）

針對(duì)亞硫酸澄清法制糖工藝二氧化硫殘留量大，酒精蒸餾中亞硫酸鈣結(jié)垢等問(wèn)題，以制糖工藝的無(wú)硫澄清關(guān)鍵工藝和設(shè)備優(yōu)化問(wèn)題為重點(diǎn)開(kāi)展研究．分析傳統(tǒng)工藝的弊端并給出了無(wú)硫澄清新工藝流程，通過(guò)與傳統(tǒng)工藝對(duì)比分析，結(jié)合新工藝特點(diǎn)、工藝需求和熱平衡提出了澄清工藝工段的設(shè)備布置流程，為實(shí)現(xiàn)蔗糖加工無(wú)硫工藝可行性研究和工業(yè)化實(shí)現(xiàn)提供有價(jià)值的參考．

蔗糖；亞硫酸法工藝；無(wú)硫澄清；設(shè)備優(yōu)化

廣西是全國(guó)蔗糖產(chǎn)量第一的省區(qū)，糖蔗種植和蔗糖業(yè)一直是該區(qū)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，以開(kāi)展蔗糖產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵共性核心技術(shù)攻關(guān)的現(xiàn)代智慧糖業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展，是貫徹落實(shí)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，打造廣西九張創(chuàng)新名片工作方案的重要工作任務(wù)[1]．目前，廣西仍有超過(guò)90％的糖業(yè)生產(chǎn)企業(yè)采用磷酸-亞硫酸法生產(chǎn)蔗糖．相比碳酸法、石灰法而言，該工藝不僅需要消耗大量的石灰、磷酸和硫酸，而且對(duì)澄清工段的用藥量控制提出了極高的要求[2]．特別是傳統(tǒng)的磷酸-亞硫酸法消耗大量的二氧化硫，造成硫份殘留在成品中的比例超過(guò)國(guó)標(biāo)，嚴(yán)重影響了食用糖的安全性．

國(guó)內(nèi)學(xué)者在蔗糖澄清工藝優(yōu)化方面做了大量研究，提出了多種方法替代或改良磷酸-亞硫酸法．謝彩鋒[3]等提出了利用丹寧替代管道硫熏的二次澄清工藝，并用單因素正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化了最佳工藝參數(shù)；勞以添[4]提出了一種利用改性纖維球處理的無(wú)硫澄清新工藝；林榮珍[5]等利用高聚物和重硫氧對(duì)甘蔗混合汁進(jìn)行澄清脫色，并通過(guò)敏感性分析證明低硫低磷甘蔗制糖澄清新工藝優(yōu)于傳統(tǒng)制糖工藝．基于以上研究成果，本文從工藝優(yōu)化與設(shè)備集成角度改良蔗糖混合液的澄清工藝，基于工藝前期無(wú)硫化澄清工藝優(yōu)化與發(fā)酵法制酒精精餾塔結(jié)垢的末端治理結(jié)合的可行性角度，將壓榨混合液澄清工段中的一次預(yù)加硫、二次管道硫熏工藝去除，引入三次加熱中和沉降法，并優(yōu)化了澄清、中和與換熱裝置，在滿足平衡pH值，降低混合液硫含量，改善有效絮凝沉降效果的同時(shí)，滿足新工藝對(duì)設(shè)備的要求，并解決了后續(xù)發(fā)酵工藝結(jié)垢難題，實(shí)現(xiàn)砂糖成品品質(zhì)提升．

1　亞硫酸澄清法制糖工藝

以石灰、磷酸、二氧化硫作為澄清劑的磷酸-亞硫酸法制白砂糖與發(fā)酵工藝見(jiàn)圖1．

圖1　磷酸-亞硫酸法制糖與發(fā)酵工藝

澄清工段的基本工序見(jiàn)圖2．

圖2　磷酸-亞硫酸法澄清工段流程

因?yàn)樵摲üに嚭?jiǎn)單，投資較低，但處理?xiàng)l件較苛刻，加入二氧化硫出現(xiàn)的主要問(wèn)題及不良后果為：

（1）一次加熱工藝控制．在硫熏中和之前進(jìn)行的一次加熱（溫度在70~80 ℃之間）主要作用是加速石灰乳與磷酸、二氧化硫的反應(yīng)，進(jìn)一步提高預(yù)灰作用的同時(shí)，促使膠粒的凝聚，抑制微生物，關(guān)鍵是溫度控制，加熱溫度高能除去膠體沉淀，但會(huì)抑制硫熏中和的二氧化硫吸收量，同時(shí)高溫酸性條件又會(huì)加速蔗糖的轉(zhuǎn)化與還原糖分解，因此溫度控制在較低水平．

（2）硫熏中和工藝．多噴嘴的硫熏中和器是利用噴射器原理，通過(guò)蔗汁高速射流形成的真空將硫氣吸入，與后續(xù)加入的石灰乳反應(yīng)生成亞硫酸鈣，升華硫會(huì)形成硫磺粉堵塞管路，硫熏強(qiáng)度提高，提高沉降效果的同時(shí)也會(huì)加重過(guò)濾負(fù)擔(dān)，增加二氧化硫的殘留量，并增加了氣體外溢的環(huán)境破壞風(fēng)險(xiǎn)．

（3）二次加熱工藝．二次加熱（溫度在70~80 ℃之間）目的是使亞硫酸鈣沉淀粒子密度增大，易脫水和沉降過(guò)濾，并使亞硫酸鈣沉淀，磷酸鈣反應(yīng)完全，溫度控制要均衡，不可過(guò)高．由于亞硫酸氫鈣是可溶性的鈣鹽，而蔗汁中的膠體物質(zhì)阻礙了亞硫酸鈣沉淀的形成，為促進(jìn)亞硫酸鈣的形成，必須加入更多的二氧化硫以便于充分利用吸附法除去非糖分膠體物質(zhì)，結(jié)果會(huì)進(jìn)一步增加二氧化硫在糖液中的殘留量．

同時(shí)，亞硫酸鈣的出現(xiàn)是后期廢糖蜜制酒精工藝中設(shè)備結(jié)垢與“塞塔”的主因，也成為亞硫酸法制糖末端廢桔水蒸餾制酒精工藝中難以解決的癥結(jié)[6]．

2　工藝與設(shè)備優(yōu)化

2.1　無(wú)硫澄清新工藝

為有效解決硫殘留問(wèn)題，滿足一級(jí)糖色值，并保證二氧化硫含量不高于30 mg/kg，提出一種可滿足工業(yè)化的無(wú)硫澄清優(yōu)化工藝，步驟為：

（1）預(yù)熱．壓榨混合汁至80℃．

（2）一次加灰、加酸．連續(xù)加入磷酸、石灰乳，pH值調(diào)至7.0．

（3）一次加熱．一次加熱至沸騰，分離絮凝，沉降分離一清汁．

（4）二次加熱．沉降分離的澄清液加熱至沸騰．

（5）二次加灰．加入石灰乳至一清汁pH值調(diào)至8.0．

（6）中和反應(yīng)．將一清汁通入反應(yīng)器，再次加熱至沸騰．

（7）二次絮凝分離．加聚丙烯酰胺溶液（用量控制為5mg/L），分離獲得泥汁和清汁．

工藝流程見(jiàn)圖3．

圖3　無(wú)硫澄清新工藝流程

工藝流程中，先在混合汁中加入磷酸、石灰乳進(jìn)行澄清處理得到一清汁，取代了含硫的工藝措施，然后在一清汁中加入單寧、聚丙烯酰胺，除去一清汁的膠體、色素等非糖分，以獲得二清汁供制糖生產(chǎn)用，新工藝中全程無(wú)二氧化硫添加．同時(shí)，溫度控制要求不高，工藝過(guò)程容易操作．

2.2　工藝對(duì)比與裝置分析

2種工藝的條件差異與影響結(jié)果見(jiàn)表1．

表1　2種澄清工藝條件與影響

由表1中的工藝條件分析可見(jiàn)，二氧化硫在亞硫酸法澄清工藝中的主要作用是形成亞硫酸鈣，用以吸附泥汁和膠團(tuán)[7]．同時(shí)，亞硫酸鈣也是后期酒精蒸餾塔結(jié)垢的主產(chǎn)物．無(wú)硫工藝中以單寧和聚丙烯酰胺作為二次絮凝劑，從工藝上杜絕了蒸餾結(jié)垢物的出現(xiàn)．但是，由于單寧與聚丙烯酰胺對(duì)大分子膠團(tuán)的絮凝效果不及二氧化硫，需要二次加熱、多次沉降以滿足基本澄清工藝的需求，也對(duì)工藝設(shè)備的預(yù)混合環(huán)境、溫度控制提出了更高的要求．

2.3　無(wú)硫澄清設(shè)備布置

為實(shí)現(xiàn)并滿足無(wú)硫新工藝要求并實(shí)現(xiàn)節(jié)能，將換熱裝置流程優(yōu)化并設(shè)置反應(yīng)器、加熱絮凝器以合理利用熱量，新型無(wú)硫澄清工藝的設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)與布置見(jiàn)圖4．

圖4　無(wú)硫澄清工藝優(yōu)化布置示意圖

結(jié)合新工藝，從滿足工藝需求并考慮設(shè)備優(yōu)化布置與節(jié)能，在澄清工段設(shè)備布置體現(xiàn)的特點(diǎn)為：

（1）引入攪拌反應(yīng)釜進(jìn)行混合攪拌，為一次加灰、加酸的反應(yīng)提供預(yù)混和反應(yīng)空間，便于pH值調(diào)節(jié)與溫度梯度控制[8]；

（2）利用換熱器間的溫差，合理布置熱交換線路，并采用蒸汽引射器實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效；

（3）在一、二次絮凝沉淀中，引入新型的加熱絮凝沉淀器，方便石灰乳的添加，以及溫度、pH值的有效控制．

3　結(jié)語(yǔ)

一直以來(lái)，蔗糖產(chǎn)品的含硫量高，難以滿足國(guó)外食品企業(yè)的質(zhì)量控制要求．同時(shí)，亞硫酸法工藝尾端制備酒精的副反應(yīng)結(jié)垢難以處理，成為嚴(yán)重制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題．本文通過(guò)對(duì)原有工藝與新工藝的比較分析，工藝設(shè)備設(shè)計(jì)與布置，為無(wú)硫工藝的產(chǎn)業(yè)化和工廠裝置優(yōu)化提供了思路，對(duì)有效解決甘蔗制砂糖的二氧化硫殘留問(wèn)題，提高白砂糖的食用安全性具有重要參考價(jià)值．

[1] 趙威．甘蔗汁過(guò)濾設(shè)備的研究與開(kāi)發(fā)[D]．南寧：廣西大學(xué)，2016：5-12

[2] 浦明，楊建華，陳子華，等．甘蔗制糖生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]．輕工科技，2018，34（11）：59-61

[3] 謝彩鋒，馬英群，丁慧敏，等．一種甘蔗混合汁無(wú)硫二步澄清工藝優(yōu)化研究[J] ．食品工業(yè)，2016（7）：63-67

[4] 勞以添．使用了改性纖維球處理的甘蔗制糖無(wú)硫澄清的方法：中國(guó)，108396077A[P]．2018-08-14

[5] 林榮珍，劉和清，楊宇格，等．低硫低磷甘蔗制糖澄清新工藝研究[J]．甘蔗糖業(yè)，2014（3）：24-30

[6] 陳國(guó)偉，陳子華，代光偉，等．甘蔗糖廠利用酒精車間CO2進(jìn)行碳硫結(jié)合清凈工藝初探[J]．甘蔗糖業(yè)，2015（3）：19-22

[7] 譚宏偉，周柳強(qiáng)，謝如林，等．蔗糖生產(chǎn)中的有機(jī)廢棄物資源化利用研究[J]．大眾科技，2016，18（5）：110-112

[8] 譚蔚，陳剛，段振亞．化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．3版．天津：天津大學(xué)出版社，2007：168-172

Study on the technology and equipment optimization of sugar clarification without sulfur

KANG Li

（School of Energy and Building Environment，Guilin University of Aerospace Technology，Guilin541004，China）

Aim to the problem of sulfur dioxide high residue and scaling in alcohol distillation by sulfurous acid sugaring clarification technique，study on the key technology and equipment optimization of sulfur-free clarification in sugar production．The disadvantages of traditional technology are analyzed and the technological process of sulfur free clarification is given．Through the comparative analysis with the traditional process，combined with the characteristics of the new process，proposed the equipment layout flow of the clarification process section based on the process requirements and heat balance．It provides valuable reference for the feasibility study and industrialization of sulfur-free sugaring clarification．

cane sugar；sulfitation process；sulfur-free clarification；equipment optimization

1007-9831（2020）07-0042-04

TS24∶TK17

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.07.010

2020-04-10

廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2019JGB382）；桂林航天工業(yè)學(xué)院博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目（GHKY2019009）；國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201710221034）

康麗（1981-），女，黑龍江齊齊哈爾人，助理實(shí)驗(yàn)師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)、建筑設(shè)備等研究．E-mail：19110962@qq.com