含炭煉糖濾泥用于原糖廠濾汁的脫色研究

謝凌波，鄧國強，徐光輝，梁幼飛，溫惠宇，韋利金，周少基，盧其園，王 健

（1.中糧崇左糖業有限公司，廣西 崇左 532200；2.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004；3.中糧營養健康研究院有限公司，北京 102209）

在二步法制糖生產中，原糖色值對精煉糖的產品質量有著重要影響。在二步法工藝中，原糖生產澄清工藝的泥汁過濾通常采用無濾布真空吸濾機，濾汁需要回流再次進行澄清處理，該過程延長了蔗汁在高溫條件下的停留時間，因此造成了蔗糖的轉化損失，同時也增加了澄清設備的負擔。在中糧崇左糖業有限公司的煉糖工藝中，回溶糖漿的脫色工藝中包括了碳酸飽充、粉末活性炭輔助脫色、離子交換脫色工藝，因此煉糖濾泥中含有碳酸鈣和粉末活性炭。由于該濾泥是在原糖回溶糖漿濃度為50～55°Bx，色值在600～1000IU下進行二氧化碳飽充和添加一定比例粉末活性炭吸附脫色而產生的，存在飽充汁濃度高、雜質多、混合吸附時間短等因素的影響，粉末活性炭的吸附能力并未達到完全飽和，對于色值更高而錘度更低的無濾布真空吸濾機過濾后的濾汁，可能具有富余的色素吸附能力。文獻表明［1-2］，活性炭可以用于甘蔗汁脫色，但用量較高。將含有活性炭的煉糖濾泥用于原糖濾汁的脫色澄清，可實現廢物再利用，減少澄清工藝負擔和轉化損失，并進一步降低成品原糖的色值，達到一舉多得的目的。

為了了解煉糖濾泥的吸附特性，確定在回用于濾汁脫色中濾泥的最適添加量，本文進行含炭煉糖濾泥用于原糖廠濾汁的脫色研究，為工業應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

原糖車間無濾布真空吸濾機濾汁，冷藏于冰柜，使用前解凍。

煉糖廠濾泥，采自中糧崇左糖業有限公司，現采現用。

1.2 實驗儀器

WZZ-2S數字式自動旋光儀；WYA-2S數字阿貝折射儀；SP-752紫外可見分光光度計；AL204電子天平；JJ-1增力電動攪拌器；HH-4S數顯恒溫水浴鍋；PHS-25C型酸度計。

1.3 實驗步驟

第一，將采樣后冷凍保存的原糖車間無濾布真空吸濾汁從冰柜取出，解凍至室溫。

第二，將采樣后的煉糖濾泥進行干燥至恒重。

第三，取無濾布真空吸濾汁100mL于燒杯中，水浴加熱至70℃。

第四，按設定值加入煉糖濾泥即干泥，攪拌5min使濾泥充分混合，用濾紙進行過濾，收集濾液樣，按照國際測定標準ICUMSA測定色值。同時測定原濾汁色值。

2 研究背景

二步法制糖包含用甘蔗生產原糖和原糖精煉兩個階段。原糖品質對精糖的影響很大，而在諸多影響原糖品質的因素中，澄清過程是重要環節。原糖生產使用石灰法澄清工藝，澄清效率高，石灰消耗少，但原糖澄清過程未加入石灰以外的沉淀劑，其濾汁難以實現快速沉降。因此，如何讓原糖濾汁快速沉降澄清是企業和科研機構研究人員需要解決的問題。

由于精煉糖采用碳酸法澄清工藝，煉糖產生的濾泥呈堿性，含有很多碳酸鈣，處理難度大，且對環境污染嚴重。煉糖濾泥含有的碳酸鈣是很好的吸附劑，而且，碳酸鈣密度大，是很好的助沉助濾劑。經適當活化后，該濾泥用于濾汁澄清，具有一定的脫色能力，再利用后的煉糖濾泥由于與原糖濾泥的占比很小，且在澄清過程中pH值降低，吸附和混合了大量的有機物和雜質，可以與原糖濾泥一起作為肥料使用。

3 工藝流程說明

3.1 傳統原糖澄清工藝

目前國際通用的原糖澄清工藝為石灰法，主要是利用石灰對蔗汁進行澄清的工藝，包括甘蔗混合汁加灰加熱、絮凝沉降和泥汁過濾等過程。石灰法澄清工藝流程簡單，石灰成本低。澄清后蔗汁中大部分的植物色素已經被除去，但澄清過程分解的色素以及蒸發、結晶過程中的色素無法除去，導致結晶后得到的成品糖色值高，并含有較高的灰分，脫色效果不如亞硫酸法和碳酸法。根據條件的不同，石灰法澄清工藝可以分成冷汁加灰法、熱汁加灰法和分次加灰法三種。三種方法只是在加灰次數和加熱順序上不同，其工藝流程基本一致。最常用的是熱汁加灰法，先將混合汁預熱到60℃左右再加灰，這樣做的優點是膠體物質尤其是蛋白質更容易凝聚，澄清效率高，且石灰耗用少；缺點是沉淀不夠結實，泥汁量大，有時甚至會使清汁導出困難。中糧屯河崇左糖業有限公司采用的石灰法澄清工藝流程，如圖1所示。

圖1 石灰法原糖澄清工藝流程

3.2 使用煉糖濾泥后的原糖澄清工藝

將含有碳酸鈣和活性炭的煉糖濾泥用于原糖吸濾汁輔助脫色并進行濾汁快沉，該工藝需要在原有原糖澄清設備的基礎上增加一套吸濾汁快速沉降系統設備，將吸濾機處理后的濾汁直接進行沉降得到合格的沉降清汁，進入下一工序使用，避免了吸濾汁重新返回前端工序，從而減少了高溫條件下因蔗汁停留時間過長造成的糖分損失，同時也減少了主沉降器的負荷，提高澄清效率。使用該項技術后的原糖澄清工藝流程，如圖2所示。

圖2 使用煉糖濾泥后的原糖澄清工藝流程

4 實驗結果與討論

4.1 煉糖濾泥濾汁脫色實驗結果

利用中糧崇左糖業有限公司煉糖濾泥對原糖車間無濾布真空吸濾機濾汁進行混合脫色實驗，結果如表1所示。濾汁的脫色率隨濾泥添加量的變化規律，如圖3所示。

由表1和圖3可見。

圖3 濾汁脫色率隨濾泥添加量的變化

表1 濾汁脫色實驗結果表

第一，煉糖濾泥用于原糖濾汁澄清，具有一定的脫色能力。在一定范圍內，濾泥用量越多，脫色效果越好。

第二，在濾泥添加量為1%之前，濾汁脫色率隨濾泥添加量的增加而明顯增長，之后，脫色率隨濾泥添加量的增加趨于平衡。

第三，從糖廠經濟效益看，真空吸濾機產生的濾泥轉光度不變的情況下，添加濾泥越多帶走的糖分越多。綜合考慮，最適濾泥添加量為干泥對濾汁比為1%，濾汁脫色率為75%。

4.2 煉糖濾泥濾汁色素吸附等溫線

在同等溫度下，在達到吸附平衡時，溶液的平衡色值隨煉糖濾泥添加量的變化稱為吸附脫色等溫線。可用Langmuir或Freundlich模型進行描述。前者反映的是單分子吸附機理，后者反映的是多層吸附機理。

Langmuir等溫線的方程式如下。

式中q是單位質量煉糖濾泥的平衡吸附量，單位是mg/g；qm是最大吸附能力，單位是mg/g；C是色素平衡濃度，b是描述吸附分子與吸附劑（mg-1）之間親和性的常數。

Freundlich等溫線的方程式如下。

其中KF和n是等溫線的常數。

通過對以上方程的線性化，并對實驗數據進行回歸，可確定qm、b、KF和n。Langmuir等溫線的線性化形式如下。

其斜率（qm-1）是最大吸附能力的倒數。

Freundlich等溫線的線性化形式如下。

根據文獻［3］，平衡吸附量q和色素平衡濃度C可由以下公式計算。

其中，S0和S分別為吸附脫色前后糖汁的色值，單位是IU；M為煉糖濾泥的添加量，單位是g。

為了了解煉糖濾泥濾汁吸附脫色的機理，利用濾汁脫色實驗數據進行Langmuir和Freundlich吸附模型的回歸。

Langmuir模型的回歸曲線，如圖4所示。由圖4可見，按式（5）和（6）計算單位質量煉糖濾泥吸附量q和吸附平衡色素濃度C，回歸曲線相關系數R2為0.0812，同時，最大吸附量qm為負數。說明實驗數據與Langmuir模型不相符，模型不能反映煉糖濾泥濾汁吸附脫色的機理。

圖4 Langmuir模型實驗數據的回歸曲線

Freundlich吸附模型的回歸曲線，如圖5所示。由圖5可見，Freundlich回歸方程為lnq=2.4819lnC+2.4982，相關系數R2為0.7112。實驗數據與Freundlich模型具有一定的相符，煉糖濾泥對濾汁色素的吸附更接近于多層吸附機理。在實驗條件下，煉糖濾泥濾汁色素吸附的Freundlich等溫線方程如下。

圖5 Freundlich模型實驗數據的回歸曲線

5 結論

煉糖濾泥用于濾汁澄清，有明顯的脫色能力，具有工業化的可行性。

在濾泥添加量達到1%之前，濾汁脫色率隨濾泥添加量的增加而明顯增長，之后脫色率隨濾泥添加量的增加趨于平衡。

從糖廠經濟效益看，添加濾泥越多帶走的糖分越多。綜合考慮，最適濾泥添加量為干泥對濾汁比為1%，濾汁脫色率可達80%。

濾泥對濾汁色素的吸附機理為多層吸附，可用Freundlich吸附等溫線來描述，吸附等溫線方程為

減少煉糖濾泥的處理費用，為糖廠帶來經濟效益。按照年處理甘蔗120萬噸的兩步法糖廠計算，吸濾汁比例為30%～35%，煉糖濾泥添加量1%，每年可減少3600～4200噸的煉糖濾泥排放。