多晶體冰糖高效結晶智能管理系統的應用

蔡鐵華

(南京甘汁園糖業有限公司，江蘇南京 211100)

0 引言

多晶體冰糖是白砂糖的結晶再制品，其結晶體形如冰狀，故取名為冰糖。多晶體冰糖又稱老冰糖、土冰糖、塊冰糖等[1]，多晶體冰糖品質純正，是我國消費者喜愛的食糖產品之一。同時中醫認為多晶體冰糖具有潤肺、止咳、清痰的作用，也是制作民間食品的重要原料[2]。多晶體冰糖生產工藝是以白砂糖為原料，依次經過溶糖、煮糖、結晶、控液、粉碎及烘干等工序[3]。多晶體冰糖結晶率的高低受生產管理影響較大，溶糖錘度、熬糖溫度和時間、結晶溫度和時間等對結晶率影響都較大，傳統多晶體冰糖廠因自動化程度低，自然冷卻結晶溫控不穩定，因此傳統冰糖廠多晶冰糖的結晶率高低對生產技術人員的經驗要求很高，經驗不足的冰糖廠結晶率甚至低于50%，經驗好的冰糖廠一水結晶率可達60%以上。本文通過對多晶體冰糖結晶房的改造及多晶體冰糖高效結晶智能管理系統的應用，以期提高多晶體冰糖結晶率，提高經濟效益，為現代化冰糖生產企業提供參考。

1 過飽和度對多晶體冰糖結晶的影響

蔗糖溶液結晶通常分為：增濃、調溫、降壓、刺激、誘發和投種6種方法[4]，在多晶體冰糖生產中糖溶液結晶大部分使用“降溫”法，糖漿溶液“降溫”結晶是糖漿溶液在大氣中自然降溫使糖漿飽和度不斷增加，當糖漿飽和度超過介穩區時糖漿自然起晶。在生產多晶體冰糖過程中通過不斷的探索結合蔗糖結晶理論，發現多晶體冰糖結晶與過飽和度、環境溫度有密切關系。過飽和度是指在某一溫度下蔗糖溶液內一份水所溶解的蔗糖量與該溫度下飽和純蔗糖溶液中一份水所溶解的蔗糖比值。根據其過飽和系數的不同，蔗糖溶液可分為4個區，即溶晶區、介穩區、中間區和易變區。溶晶區是指過飽和系數小于1.0時，晶體只能溶解不能長大；介穩區是指過飽和系數為1.0～1.2時，不能自然生成新的晶核，但可以使已存在的晶核長大；中間區是指過飽和系數在1.2～1.3時，不僅使已存在的晶核能夠長大，當溶液受到外界的刺激時，還能產生少量新的晶核；易變區是指過飽和系數大于1.3時，能自然起晶，晶核大量的生長[5]。根據蔗糖結晶理論，糖液起晶時要控制好不同的過飽和度，糖漿過飽和度過低或過高都不利于結晶，當糖液過飽和度在1.0～1.2時糖液處于介穩區不能自然結晶[6]，但如果溶糖不徹底會使已有的晶核長大；如果糖液過飽和度過高則容易結晶但得到的多晶體冰糖晶體細小，不符合產品質量要求。因此在實際生產過程中，首先是糖液過飽和系數要大于1.3，即控制在易變區，使其自然起晶，起晶后糖液過飽和濃度降低至中間介穩區使晶體長大，實現養晶過程。

2 結晶房溫度對結晶的影響

過飽和糖漿煮制到82～84°Bx時，通過糖漿管路向結晶盆注入糖漿，糖漿在結晶房靜置7天左右。第一、二天結晶房溫度控制在70～80℃之間；第三天控制在60℃左右；第四天控制在50℃左右；第五天控制在40℃左右；第六、七天降至常溫。根據蔗糖結晶工藝理論[6]可知：溫度對反應速度的影響，主要是改變了反應速度常數，它是在指定的溫度下反應物的濃度均為一單位濃度時的反應速度。結晶速度為：

式中：K—結晶速度；

T—絕對溫度；

C—過飽和糖液濃度；

C0—糖液飽和濃度；

d—境膜厚度；

?—介質粘度；

k′—與溫度無關的常數。

從式(1)中可知，結晶速度與溫度成正相關。多晶體冰糖在結晶過程中，第一、二天結晶房溫度宜控制在70～80℃之間，使過飽和糖液遇冷起晶，溫度高于80℃或低于70℃都對結晶不利。溫度高于80℃，飽和系數低，無法自然起晶；溫度低于70℃，過飽和系數高，容易產生細小晶體，不符合多晶體冰糖的質量要求。第三天開始，通過控制結晶房溫度變化，使糖漿過飽和度保持在1.2～1.3之間。

傳統多晶體冰糖廠的糖漿煮制一般是在常壓下進行，也有用真空煮糖設備煮制糖漿，但真空煮糖設備投資較大，技術要求高，節能效果明顯。常壓煮糖投資少，技術要求不高，被多數傳統多晶體冰糖廠采用。要生產出合格的多晶體冰糖，其糖漿溫度往往控制在112～120℃之間，而白砂糖經溶解后其pH值呈中性或弱酸性，在高溫狀態下能快速轉化為還原糖，還原糖增加，則糖漿的蔗糖純度降低，結晶率也相應的降低。糖漿在不同溫度、pH值下每小時轉化糖分百分率如表1所示。

表1 糖漿在不同溫度、pH值下每小時轉化糖分百分率

多晶體冰糖結晶是非線性降溫過程，前期需要快速降低溫度使糖漿自然起晶，當糖漿在結晶盤產生晶體后，降溫速率降低，使糖漿過飽和度保持在1.2～1.3之間有利于冰糖晶體長大，適當地降低糖漿溫度能減少糖分轉化的速率，提高了糖漿的純度，有利于糖的結晶。降溫速率過快，糖漿過飽和度高，容易結出小顆粒晶體，不符合產品要求；降溫速率過慢，糖漿過飽和度不夠，同時糖在高溫作用下快速轉化為還原糖，影響多晶體冰糖結晶率。

3 智能管理系統

3.1 系統原理

該系統采用的PLC可編程控制器是以微處理器為核心的工業控制裝置。它把傳統的繼電器控制系統與計算機技術結合在一起，具有高可靠性、靈活性、易于編程、使用方便等特點。PLC采用循環掃描工作方式，用戶程序按工作先后順序存放，CPU從第一條指令程序開始執行直到結束指令程序后重新執行第一條指令，周而復始地不斷循環[7](圖1)。

圖1 PLC可編程控制器

PLC可編程控制器可靠性高，外不接線，大量的電子元器件都集成在控制器內，同時系統維修簡單。PLC可編程控制器采用工業級別的可靠性設計，設有故障診斷、報警及信息保護恢復功能，具有體積小、多功能、抗干擾、性能好等優點。

3.2 結晶房改造

根據蔗糖結晶理論，通過對可能影響多晶體冰糖的各參數的理解，對結晶房進行如下改造：①增加了干燥送風系統；②增加了抽濕系統；③增加了結晶房溫度檢測系統。其房間布局如圖2所示。

圖2 結晶房布局

可調溫干燥熱風通過管道送到結晶房，熱風出口設在結晶房的下半部分，為使熱風能均勻到達結晶房不同部位，熱風出口采用多點分布式設計，結晶房需要調節溫度時送入干燥熱風。在結晶房的上方設有多點分布抽濕系統，濕度傳感器安裝在中部上方。溫度傳感器安裝在結晶房的左右兩側及后方，高度在結晶盤上方1 m左右。

3.3 智能管理系統

根據市場和客戶對多晶體冰糖的晶體質量要求，通過檢測糖漿的純度、錘度、pH值等數據，把多晶體冰糖結晶全過程控制參數通過顯示觸摸屏輸入到PLC數據存儲單元。PLC根據用戶程序先后掃描結晶房內各點的溫度、濕度參數與設定參數進行比較，當檢測到某點結晶房內溫度低于設定值時，開啟可調溫干燥熱風系統，并把熱風送入結晶房內溫度低的區域。但多晶體冰糖結晶房的溫、濕度變化調整是一個大滯后模式，受環境、結晶盆堆放高度及密度等因素影響，沒有規律可循。根據檢測儀表報警進行人工管理，使用PID控制管理等模式都滿足不了其需要。在總結多次試驗數據后，管理系統試用模糊算法對各參數進行管理取得較好的效果。管理系統根據過飽和度與溫度、結晶速度與溫度、蔗糖在不同溫度糖分每小時轉化為還原糖百分率等參數的運算，減少糖漿在高溫區的停留時間；根據各個測試點的溫度升溫速率的變化，適時調整各點熱風送入量。當結晶房溫度高于設定值時，開啟抽濕系統降低結晶房溫度。

結晶房內濕度的管理是提高結晶率的關鍵環節。當濕度檢測系統檢測到結晶房內濕度大于設定值時，智能管理系統開啟抽濕系統，把室內空氣抽出，同時開啟可調溫干燥熱風系統，送入溫度合適的干燥熱風，降低結晶房內的濕度。由于多晶體冰糖結晶時是把結晶盆層疊擺放，結晶房內濕度高時，水蒸汽在結晶盆底會凝聚成水滴，回滴到糖漿內影響結晶。結晶房合適的濕度有利于糖漿水分的揮發，根據糖廠的測試結果，發現結晶房內濕度控制在70%～80%之間較好。多晶體冰糖智能管理系統框架如圖3所示。

圖3 智能管理系統框架

通過多晶體冰糖結晶房的改造以及智能管理系統的增加，對結晶房內的結晶環境進行動態管理，使多晶體糖的結晶過程處于工藝要求的范圍內。結晶房的改造以及智能管理系統的應用改變了過去自然環境變化影響多晶體冰糖結晶條件的生產模式，做到結晶房工作環境自主可控，溫、濕度按工藝需求可隨時調整梯度變化量，結晶房溫度可控制在±1.0℃。

通過多次試驗驗證，采用此套結晶智能管理系統合理控制結晶室內的溫度和濕度，多晶體冰糖母液還原糖降低了0.6%，色值降低了5 IU，結晶率提高了近10%。

3.4 管理系統投資概算

公司對原有的其中10間多晶體冰糖結晶房進行智能管理系統改造，概算如下：

結晶房改造60萬元，可調節溫度干燥熱風系統70萬元，溫、濕度測量系統10萬元，智能管理系統23萬元，其他費用5萬元。智能管理系統合計投入168萬元。

3.5 管理系統經濟效益

以公司10間結晶房為例，每間結晶房體積長20 m×寬5 m×高3 m，結晶液50 t/間，其經濟效益預測如下：

結晶率由原先的50%提升至60%，提高10%。冰糖與白砂糖相比，市場價值增加1000元/t。每噸的經濟效益為：0.1×1000元/t=100元/t。每間結晶房增長效益為：100元/t×50 t×60%=3000元，10間結晶房增長效益為30000元。

多晶體冰糖母液還原糖降低0.6%，在生產過程中起晶速度的提高，可節約人工時長約30 min/人。以5人/班次為例，每人300元/天，每天工作時長8 h，人均每人每天節省300÷8×0.5=18.75元/天，5人可節省93.75元/天。

色值降低5 IU，每噸糖母液折合糖計算約0.4 t，每噸糖價值提升約為50元，10間結晶房經濟效益為：50 t/間×0.4 t×50元×10間=10000元/批。

4 結語

多晶體冰糖是消費者日常生活中的常用食品，對企業來說其利潤率比白砂糖更有優勢，且受白砂糖價格波動的影響較小。本文通過對多晶體冰糖結晶房的改造及智能管理系統的應用提高了結晶率，增加了多晶體冰糖產糖率，減少了低附加值糖品種的產量，從而提高了企業的經濟效益。