蔗汁澄清工藝技術和設備存在問題及其更新應用效果

陸保祥 施灝 周謙 梁偉堅 黃雪超 蘭能慧 韋學文 韋力文 蒙松

摘 要：澄清工序是甘蔗制糖生產的關鍵工藝，由于其操作過程的特殊性和對環境要求較高，一直以來均是制糖行業改革的難點。自20世紀80年代以來，我國多數糖廠澄清工序一直沿用傳統的工藝和設備，存在澄清效率低、能耗高和操作環境差等問題。近幾年來，隨著制糖工藝的不斷發展，糖廠澄清工序也在不斷改革創新。在引進先進的澄清工藝技術和設備后，澄清工序的操作環境得到了較大改善，但澄清效率不高的問題依然存在。文章通過對國內外糖廠澄清工序工藝技術進行調研和分析，結合廣西糖業集團達華制糖有限公司現有的生產工藝流程和設備條件，探討甘蔗糖廠實施澄清工序提質增效的可行性，為提高制糖企業經濟效益和社會效益及改革制糖行業的傳統澄清工藝提供有益借鑒。

關鍵詞：蔗汁；澄清工藝；技術引進；設備更新

中圖分類號：S233.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-820X（2023）06-0038-06

收稿日期：2023-10-02

通訊作者：施灝（1971-），男，高級工程師，主要從事制糖生產工藝技術應用研究工作，E-mail：shihaogx@163.com

第一作者：陸保祥（1974-），男，工程師，主要從事制糖生產工藝技術應用研究工作，E-mail：1492751521@qq.com

0 引言

我國是世界上采用甘蔗制糖技術最早的國家之一，已有2000多年歷史［1］。甘蔗制糖技術是以甘蔗為主要原料，經壓榨提汁、澄清、蒸發、結晶、篩分和干燥等工序將其制成白砂糖、紅糖和赤砂糖等產品的過程。目前，國內約85%的糖廠采用運行成本較低的亞硫酸法生產工藝生產白砂糖，僅約15%的糖廠采用碳酸法生產白砂糖，用精制法生產優質白砂糖［2］。亞硫酸法生產的蔗糖質量較碳酸法差，亞硫酸法生產的白砂糖存在問題主要是色值和二氧化硫含量偏高，我國從2006年起執行的國家標準GB/T 317—2006《白砂糖》規定：一級白砂糖產品色值低于150 IU，殘留二氧化硫含量不高于30.0 mg/kg；對飲料用糖的要求更嚴格，要求二氧化硫含量不高于15.0 mg/kg［3］。因此，亞硫酸法生產一級白砂糖產品面臨嚴峻挑戰，許多糖廠均將白砂糖一級品率和降低二氧化硫含量作為質量管理的首要目標［4］。同時，隨著經濟的發展和生活水平的提高，人們對健康、綠色、環保白砂糖的要求更高［1］。在制糖過程中，首先對甘蔗進行撕裂壓榨和提取蔗汁，此過程由于蔗汁中含有較多非糖雜質，需進行澄清過濾處理才能獲得達到工藝指標要求的澄清汁，以保障最終的白砂糖產品質量［5］。王健等［2］研究表明，在澄清工序中澄清過濾處理不好，會影響產品的品質、產品安全和糖分回收；進行澄清工序技術改進是解決我國糖廠亞硫酸法生產存在問題的有效措施，有利于推動我國制糖產業結構升級，增強市場競爭力。甘蔗糖廠澄清工序是制糖生產的關鍵工藝，需引進先進的自動化、智能化工藝設備來提高澄清效率，確保產品質量。制糖工藝技術的提升，是確保糖廠生產安全、穩定、高效運行的基礎保證，更是保障制糖產品質量的關鍵［2］。

1 傳統的澄清工藝及設備

亞硫酸法是生產白砂糖的傳統方法，其中的澄清工序主要用于將經壓榨提汁得到的蔗汁進行加熱、中和（添加二氧化硫和氧化鈣）及沉淀池沉降處理，得到清汁，其澄清工藝原理是利用石灰乳與亞硫酸和磷酸反應生成大量結構蓬松的亞硫酸鈣和磷酸鈣沉淀，這些沉淀物表面積較大，可吸附膠體雜質和色素，而二氧化硫與石灰乳反應生成帶正電的亞硫酸鈣，也具有很強的吸附力，能吸附凝聚非糖分的膠體粒子和色素，沉淀析出蔗汁中的非糖分雜質［1］。同時，二氧化硫對蔗汁還具有漂白脫色及抑制色素生成的作用，對蔗汁中的致色物質酚類和高價鐵化合物具有還原作用，使色素顏色變淺；與單糖的醛基和酮進行反應，可減緩或避免美拉德反應，從而獲得清凈蔗汁［1］。亞硫酸法的澄清工藝較簡單，設備相對輕便，生產成本較低，但存在中和汁pH不穩定、二氧化硫氣體不穩定和磷酸添加量不穩定等問題，清凈效率較低［5］，制糖品質未滿足行業飲料食品色值低和二氧化硫含量低的要求。

1.1 中和汁pH和加熱溫度不穩定

制糖生產過程中，在高pH和高溫條件下，蔗汁中的還原糖主要發生堿性分解和氨基酸美拉德反應，生成有機酸及很難被除去的有色物質，致使蔗汁色澤變深和蔗汁可溶性鈣鹽含量增加。此外，所生成的高分子物質還會增大蔗汁黏性，影響蔗汁沉降、過濾、蔗糖結晶及分蜜操作［6］。

1.2 二氧化硫氣體不穩定

在澄清工序中，二氧化硫氣體是由人工操作單層固定燃硫爐提供，而人工添加硫磺和人工調節風量會引起添加的硫磺時多時少，硫磺燃燒不穩定，產生的二氧化硫氣流不均衡；同時，在榨蔗量波動的情況下，不穩定的二氧化硫氣流量會引起中和汁pH波動較大，亞硫酸鈣形成不良，沉降效果差，嚴重影響清汁質量。pH偏高的蔗汁在高溫加熱狀態下其還原糖受到破壞較多，清汁色值增高［7］。

1.3 磷酸添加量不穩定

在蔗汁中加入適量的磷酸與預灰后的Ca（OH）2進行化學反應，使形成的絮狀物磷酸鈣沉淀于蔗汁底部，可達到吸附蔗汁中雜質的目的。在澄清工序中，傳統工藝設備需通過人工將磷酸稀釋于不銹鋼桶后以定量泵輸送，不能隨著榨蔗量的變化自動調整添加量，會造成磷酸值不穩定。其中，磷酸值過高會造成沉降顆粒不結實，泥汁量大，影響沉降效果。

2 引進澄清工藝設備的應用效果

目前我國甘蔗糖廠無論是傳統的自熔式燃硫爐（燃燒溫度320～360 ℃）還是新型的汽化旋風燃硫爐（燃燒溫度≤550 ℃）和噴霧式燃硫爐（燃燒溫度800～1100 ℃），所配套的硫氣處理設備均僅強調硫氣冷卻處理（間壁冷卻裝置），沒有凈化功能，無法避免硫氣中夾帶的硫蒸氣、三氧化硫和灰分雜質等對制糖生產的影響。因此，如何實現硫氣凈化和冷卻同步處理，已成為糖廠進行亞硫酸法澄清工藝提質增效的關鍵［8］。

2.1 引進工藝設備

針對蔗汁澄清傳統工藝存在的問題，廣西糖業集團達華制糖有限公司于2023年度引進先進的輔助材料添加加工系統技術：多次元精準配比低溫燃硫爐系統技術（圖1）、磷酸自控添加系統技術（圖2）和高效石灰粉消和乳化系統技術（圖3）等，以進一步穩定生成二氧化硫氣體和提高其吸收率，以及提高磷酸添加量和石灰乳化質量。

采用引進的工藝設備，在操作過程中以低恒溫燃燒硫磺所產生的硫氣，直接與水接觸進行同步換熱冷卻和凈化處理，在不造成二氧化硫損失的前提下有效去除升華的硫、灰分和其他雜質，獲得潔凈硫氣，并通過低溫燃硫（燃燒溫度控制在320～500 ℃）解決了升華硫堵塞和三氧化硫腐蝕問題［8］。采用引進的系統技術可通過無人值守和智能控制，有效調控石灰乳、二氧化硫氣體和磷酸等輔助材料的添加，穩定中和硫熏強度、中和汁pH和磷酸值，最終提高澄清效率。

2.2 生產應用效果

廣西糖業集團達華制糖有限公司于2023/2024年榨季采用引進的多次元精準配比低溫燃硫爐系統技術、高效石灰粉消和乳化系統技術和磷酸自控添加系統技術后，生產的產品質量與引進前的2022/2023年榨季環比明顯提高，白砂糖產品色值、二氧化硫、灰分、渾濁度和水不溶物含量等明顯降低（表1），其中，色值降低13 IU，二氧化硫含量降低10.0 mg/kg，灰分含量降低0.03%，渾濁度降低27 MAU，水不溶物降低8.0 mg/kg。可見，應用引進澄清工序工藝設備產出的蔗汁澄清效果明顯，白砂糖產品質量得到極大提升。

3 澄清工序存在問題及解決方法

雖然國內部分采用亞硫酸法的糖廠引進了低溫燃硫爐系統技術、高效石灰粉消和乳化系統技術和磷酸自控添加系統技術，但澄清過濾設備（如新型機械澄清罐和過濾機）在生產過程中使用效果不很理想，澄清罐存在澄清槽空間狹小、蔗汁在通過澄清槽時容易發生堵塞和不易清洗引起的生產效率低、能耗高及運行成本高等問題。針對上述問題，一些糖廠對澄清工序進行了改進創新。例如，將傳統的澄清設備改進為新型的澄清罐；在澄清槽底部增設一層由不銹鋼濾網組成的粗濾系統；在粗濾系統內增加一層由不銹鋼濾網組成的細濾系統；在細濾系統內增加一層由不銹鋼濾網組成的濾泥系統。雖然這些措施對蔗汁的澄清效果不明顯，但澄清設備已在一定程度上得到改進，操作環境得到改善［9］。此外，為了解決傳統機械澄清設備本身存在結構復雜、制造成本高、易堵塞和維護費用高等導致機械澄清設備使用壽命較短問題，國內糖廠也對其進行了改進。本研究認為，引進和開發先進的蔗汁澄清工藝技術、設備及優化操作管理措施是提高白砂糖產品質量和生產效率的有效途徑。

3.1 采用先進澄清工藝技術

采用相對落后的澄清工藝技術進行蔗汁澄清，由于澄清槽內液面高度低，出汁截面設計不夠合理，難以將蔗汁完全澄清，易發生結皮現象；蔗汁中的各種成分含量較高，在澄清槽中會產生大量堵塞澄清槽過濾系統及在澄清罐底部形成積沉的絮狀物，若不及時排走，會影響澄清效果。而先進的澄清工藝技術能有效提高澄清槽內液面高度，并分離蔗汁中的各種成分。例如，采用多層不銹鋼濾網對蔗汁進行過濾，可使蔗汁中的絮狀物在重力作用下沉積到底層；采用帶有導流板的斜板將上層蔗汁和下層蔗汁進行分離；采用新型機械澄清罐代替傳統機械澄清罐；采用澄清過濾機代替傳統澄清過濾機等。這些工藝技術通過在槽體底部設置一層不銹鋼濾網進行粗濾系統過濾和在槽體內安裝多層不銹鋼濾網進行細濾系統過濾，可將蔗汁中各種成分分離開來，有效去除蔗汁中的雜質。

3.2 采用節能澄清設備

國內現有的蔗汁澄清節能設備主要有旋轉澄清罐、帶攪拌器的澄清罐、螺旋過濾機和帶壓榨過濾機的澄清罐，其工作原理和結構大體相同，主要具有以下優點：一是澄清能力強，工作效率高；二是節能效果好，生產能耗約為其他澄清設備的30%～40%；三是占地面積小，在同等面積下可提高澄清槽容積50%～70%；四是操作方便，僅需啟動電機即可自動完成整個操作過程；五是運行穩定可靠，且易于清洗［10］。目前國內有10多家糖廠使用上述澄清罐和過濾機，其中部分設備還配備有自動化控制系統。但從總體上看，這些設備的使用效果不理想，原因在于澄清罐和過濾機的澄清槽內空間狹小，且澄清槽的結構較復雜、制造成本高。

3.3 優化操作管理措施，提高生產效率

3.3.1 加強操作管理，控制好澄清槽內的溫度和壓力

由于澄清槽內溫度較高會引起結皮沉積現象發生，因此，在操作過程中應密切關注澄清槽內的溫度和壓力變化情況，及時調整操作參數，避免結皮沉積現象發生。

3.3.2 及時清理槽體內部堵塞物

在生產過程中，澄清槽內經常會有雜質堆積，堆積的雜質較多時會導致槽體堵塞，造成生產效率降低。因此，應設計安裝除渣器定期清理槽體內的沉積物。

3.3.3 控制好澄清槽液面高度

在生產過程中，澄清槽液面高度過高容易引起槽底結積，導致生產效率降低，因此，應合理控制澄清槽液面的高度。一般情況下，澄清槽液面高度控制在3 m左右；當出現結塊現象時，應及時采取措施將澄清槽液面升高至正常高度。

3.4 開發應用新技術、新工藝和新設備

在澄清工序的工藝開發方面，采用新型機械澄清罐、高效澄清過濾機及相關配套生產技術和設備，對于提高澄清工序的工作效率、降低能耗和提高產品質量具有十分重要的意義。

3.4.1 開發新型機械澄清罐

國外糖廠一般采用水平式、傾斜式和垂直式等機械澄清罐作為主要澄清設備，我國糖廠主要使用傾斜式機械澄清罐。其中，水平式機械澄清罐適用于濃度較低的蔗汁澄清，傾斜式機械澄清罐適用于濃度較高的蔗汁澄清。傾斜式機械澄清罐的結構與水平式和垂直式澄清罐不同，不存在水平方向力。此外，傾斜式機械澄清罐在結構上更簡單和緊湊，生產操作和維修較方便，且運行成本較低［11］。

3.4.2 開發高效澄清過濾機

國內糖廠使用的澄清過濾機有單錐型、單螺型和雙錐型等，也采用多錐型澄清過濾機來處理含雜質較多的蔗汁。國內糖廠使用的傳統機械澄清罐在設計上存在一定的缺陷，如體積大、容積小、結構復雜、制造成本高、易堵塞和清洗困難等，在實際使用過程中具有一定局限性。因此，糖廠需引進更先進的技術和設備來開發高效節能澄清過濾機，以改進傳統機械澄清罐和澄清過濾機的缺陷，提高蔗汁澄清工作效率［12］。

3.5 加強管理，確保運行安全

3.5.1 合理控制澄清槽內的溫度和流量

一般情況下，澄清槽溫度控制在98～100 ℃、流量控制在80%，可保證澄清槽的清潔和正常運行。澄清槽流量過大和過小，均會引起澄清槽內出現過多絮狀沉淀物，導致清潔次數增加，生產效率降低。

3.5.2 做好過濾機日常維護工作

具體要求：①及時清理過濾機壓輥和壓板上的殘留物；②定期清理過濾機內部的殘留物；③及時清理過濾機壓輥和壓板上的污垢；④定期更換過濾機壓輥和壓板上的濾芯；⑤定期檢查和清洗過濾機內部的過濾器。

3.5.3 加強對蔗汁中雜質含量的監測

由于澄清槽在生產過程中容易出現堵塞問題，所以在操作過程中需加強對蔗汁中雜質含量的監測，確保蔗汁中雜質含量符合生產工藝要求。

綜上所述，蔗汁澄清工作中不同的生產工藝、設備和運行管理各有特點，蔗汁質量受溫度、固體含量和酸度等多種因素影響，所以在實際生產過程中要加強對蔗汁、澄清槽和過濾機的管理，通過監測、分析蔗汁質量及其中的水分和固體含量，及時調整操作參數和工藝參數。

4 澄清工藝技術的發展趨勢

根據澄清工序在制糖生產中所處的地位和作用及制糖行業的發展趨勢，制糖行業應重視發展澄清工藝技術和提高操作人員素質。一方面，要加快傳統澄清工序工藝技術和設備的改造升級，使其更好地適應新時代下甘蔗制糖行業發展的需求；另一方面，要積極引進先進、高效、節能和環保的澄清工藝和設備，同時，自主創新澄清工序的工藝技術和設備，提升操作人員素質，推動制糖產業轉型升級改善澄清工序操作環境。

4.1 甘蔗制糖技術的創新

我國自20世紀80年代開始引進國外先進的蔗糖生產工藝技術和設備，在此基礎上，我國制糖行業逐漸形成了以引進、吸收和消化再創新為特征的自主創新模式［13］。隨著制糖業市場需求的不斷變化和制糖技術的不斷革新發展，我國自20世紀90年代至今形成了以“澄清—蒸發—結晶—分離”為主要特征的工藝技術和設備，生產能力、生產效率和經濟效益也隨著甘蔗制糖行業規模的不斷擴大得到大幅提升。因此，不斷加強對制糖業工藝技術和設備的研究、開發和創新力度，對促進我國甘蔗制糖業健康可持續快速發展意義重大。

4.2 糖廠澄清工序工藝技術和設備的更新

糖廠澄清工序工藝設備更新主要體現在對傳統的澄清工序工藝技術和設備進行改造和升級方面［14］。其中，改造和升級傳統澄清工序的工藝技術，有利于提高清凈效率，提高生產效率和白砂糖產品質量；澄清工序工藝設備改造更新是制糖行業發展的必然趨勢。首先，通過引進、自主研發技術和設備提高制糖行業的生產效率，使企業可更好地應對市場競爭并保持市場優勢地位；其次，通過引進、自主研發技術和設備也能提高制糖行業的整體競爭力。因此，糖廠要想在制糖行業競爭中保持優勢地位和促進自身發展，就必須加快傳統澄清工藝技術與設備的改造升級步伐，為制糖行業可持續發展提供技術保障。

5 結語

在制糖行業改革不斷深入的背景下，甘蔗制糖企業應根據自身生實際和市場需求，對傳統制糖工藝進行改革和創新，引進并自主創新先進的蔗汁澄清技術和設備。糖廠通過引進創新項目，改善澄清工序操作環境，提高生產效率，降低能耗，提高產品質量，從而促進企業經濟效益和社會效益提高，為制糖行業改革提供有益借鑒。

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（責任編輯 思利華）