蒸發(fā)糖漿純度下降的原因分析及應(yīng)對措施

覃華慶，李增斌，陸宏旺，王績平，陸民海

（廣西來賓東糖鳳凰有限公司，廣西 來賓 546102）

0 前言

在制糖生產(chǎn)過程中，經(jīng)澄清處理所得的清汁必須進(jìn)行濃縮，這就是糖汁的蒸發(fā)過程。在蒸發(fā)過程中存在不同溫度、酸性pH值條件，糖汁會逐步轉(zhuǎn)化損失，亦稱為無形損失，使糖汁純度下降，糖汁純度下降對收回率、產(chǎn)品質(zhì)量及后序物料處理都產(chǎn)生不利影響。為了提高糖分收回率，越來越多的制糖企業(yè)都加大對無形損失的重視，都想方設(shè)法從源頭上減少無形損失的比例，清粗糖漿純度差是反應(yīng)糖汁在蒸發(fā)過程中糖分損失程度，差值越大說明轉(zhuǎn)化損失就越多。由于蒸發(fā)過程中糖漿純度下降是不可避免的，因為在蒸發(fā)過程不可避免的會發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，而且通常以蔗糖分子離解出氫離子反應(yīng)占比為主導(dǎo)，但是在生產(chǎn)實際中只要加強管理是可以減少糖汁純度下降的。要減少蒸發(fā)糖漿純度下降，我們要找出造成蒸發(fā)糖漿純度下降的原因。通過對幾家糖廠的生產(chǎn)實際進(jìn)行比較，做出了分析并提出部分應(yīng)對措施。

1 原因分析

影響蒸發(fā)糖漿純度下降的關(guān)鍵因素是蒸發(fā)效能低，糖汁在蒸發(fā)工序停留時間長。廣西甘蔗糖廠多以磷酸亞硫酸法生產(chǎn)工藝為主，在澄清工序中的可溶性鈣鹽隨清汁進(jìn)入蒸發(fā)工序，隨著糖汁濃度升高，鈣鹽逐漸析出附著于加熱管并越積越厚，降低了傳熱效率和蒸發(fā)效能，使蒸發(fā)糖漿在罐內(nèi)停留時間延長，轉(zhuǎn)化損失增大。

以來賓市某糖廠2016/2017年、2017/2018年榨季生產(chǎn)實際為例，分析蒸發(fā)糖漿純度下降與蒸發(fā)效能的關(guān)系。蒸發(fā)效能體現(xiàn)在蒸發(fā)糖漿在同榨量情況下的過罐速度及粗糖漿濃度上，在操作上體現(xiàn)為蒸發(fā)罐入口閥門開度，蒸發(fā)罐效能高則閥門開度相應(yīng)增大。

該糖廠榨量穩(wěn)定在420噸/天時，連續(xù)9天蒸發(fā)各罐糖汁出口閥門平均開度，如表1和圖1所示。

從圖1可以看出，該廠2016/2017年榨季榨量穩(wěn)定在420噸/天時的糖汁進(jìn)口閥門開度最大為56%，最小為38.33%，均未達(dá)到正常生產(chǎn)時60%～100%的閥門開度。根據(jù)蒸發(fā)糖漿過罐原理，入口閥門開度越大，糖汁進(jìn)入各效蒸發(fā)罐的速度越快，說明蒸發(fā)效能高，糖漿濃縮快。蒸發(fā)效能提高以后，最主要的表現(xiàn)是糖汁過罐速度快，糖漿濃度維持在65～68°Bx，從而減少了蔗糖的轉(zhuǎn)化損失。

表1 2016/2017年榨季12月份蒸發(fā)罐糖汁出口閥門平均開度

圖1 2016/2017年榨季12月份蒸發(fā)糖汁出口閥門平均開度

由于榨季初期，甘蔗不夠成熟，且部分糖廠對進(jìn)廠原料蔗尾莖要求不嚴(yán)格，還原糖分高，造成糖汁在蒸發(fā)過程中pH值不易控制，下降嚴(yán)重［1］，在酸性及一定溫度條件下，蒸發(fā)糖分損失隨pH值下降的增大而增大。2016/2017年榨季以來賓市兩家糖廠生產(chǎn)實際為例，分析蒸發(fā)糖漿純度差增大與清汁中還原糖含量的關(guān)系，如表2、圖2和圖3所示。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，兩家糖廠的還原糖分呈逐漸下降的關(guān)系，說明隨著榨季的進(jìn)行，還原糖分隨甘蔗的成熟度上升而下降。對比兩家糖廠2016/2017年、2017/2018年榨季蒸發(fā)糖漿純度差進(jìn)行統(tǒng)計，如表3所示。

從 圖 4 和 圖 5 可 以 看 出 ， 在 2016/2017 年 、2017/2018年榨季兩家糖廠的清粗糖漿純度差隨著榨季生產(chǎn)的進(jìn)行而呈現(xiàn)下降趨勢。蒸發(fā)糖漿經(jīng)過蒸發(fā)工序后，其純度呈現(xiàn)不同程度下降，2016/2017年榨季兩個糖廠的平均純度降為一廠1.08AP，二廠0.72AP；2017/2018 年榨季平均純度降為一廠0.75AP，二廠0.53AP。2016～2018年榨季的清粗糖漿純度差在整體上呈現(xiàn)下降關(guān)系，即隨糖汁還原糖含量升高而增大，隨糖汁還原糖含量降低而減小，尤其是以開榨前1～2個月最為嚴(yán)重。這是因為在制糖生產(chǎn)過程中，還原糖中的羧基和羥基在石灰的作用下發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，如氧化、還原、分子異構(gòu)化、脫水、分子斷裂等，其中間產(chǎn)物再進(jìn)一步縮合或聚合成為大分子有機(jī)物，最終產(chǎn)物主要以酸性物質(zhì)為主。其分解的速度和產(chǎn)物與溫度、pH值、氧及糖液中的其它物質(zhì)有關(guān)，溫度每升高10℃，其分解速率增加3～4倍；pH值每升高1，其分解速度增大10倍；在大量氧的作用下，其分解的產(chǎn)物主要是有機(jī)酸。另外，在中性和弱酸性下，都能使還原糖發(fā)生分解反應(yīng)生成酸性物質(zhì)，使糖汁pH值下降，尤其是氨基酸。資料表明，還原糖含量高的蔗汁pH值不穩(wěn)定、易降低，特別是在蒸發(fā)過程中糖汁pH值可降低0.5以上［2］。而在酸性條件及罐內(nèi)一定的溫度條件下，蔗糖的轉(zhuǎn)化速度持續(xù)加快，轉(zhuǎn)化損失也加快，蒸發(fā)糖漿純度下降也相對加大。

表2 2016/2017年榨季和2017/2018年榨季還原糖含量統(tǒng)計表 單位：%

圖2 2016/2017年榨季還原糖分

表3 2016/2017年榨季和2017/2018年榨季清粗糖漿純度差變化情況 單位：AP

圖4 2016/2017年榨季清粗糖漿純度差

圖5 2017/2018年榨季清粗糖漿純度差

入罐清汁純度也是影響蒸發(fā)糖漿純度下降的一個重要原因。入罐清汁純度的高低除與澄清工段的處理有關(guān)外，很大程度上取決于原料蔗質(zhì)量的好壞。不新鮮或未成熟的原料蔗及受風(fēng)折、霜凍、蟲害等自然災(zāi)害影響的原料蔗，其蔗汁純度較低，除還原糖含量較高外，非糖分含量也高，尤其是含氮物和有機(jī)酸，如氨基酸和酰胺等含量較高。酰胺在蒸發(fā)過程中會發(fā)生分解，產(chǎn)生氨氣，從而使糖汁的堿度下降［3］，酸性條件促使蔗糖分解速度加快。通過統(tǒng)計2016/2017年和2017/2018年榨季這兩家糖廠的入罐清汁純度，如表4所示。

表4 2016/2017年和2017/2018年榨季清汁純度變化表 單位：AP

圖6 2016/2017年榨季清汁純度變化曲線圖

圖7 2017/2018年榨季清汁純度變化曲線圖

從圖6和圖7的結(jié)果上看，在開榨初期，甘蔗還不夠成熟，非糖分含量偏高，清汁純度隨開榨時間的延長而升高，后期由于天氣回暖及霜凍、砍運時間延長等原因，還原糖分與蔗比有所上升。廣西大學(xué)劉慧霞教授等曾以新鮮蔗汁和陳舊蔗汁為例，對蔗汁中各種氨基酸的含量作對比分析，得出陳舊的原料蔗蔗汁的氨基酸含量，顯著高于新鮮原料蔗蔗汁，其中又以天冬氨酸含量為最高，受原料蔗新鮮度影響最大。所以，在榨季初期甘蔗不夠成熟或不新鮮及受風(fēng)折、霜凍、蟲害等自然災(zāi)害影響時，蒸發(fā)糖漿pH值下降更明顯，蒸發(fā)糖漿純度下降明顯［3］。

根據(jù)質(zhì)量作用定理，蔗糖轉(zhuǎn)化時，反應(yīng)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化糖量I應(yīng)與蔗糖的初濃度S0和時間t都成正比，轉(zhuǎn)化糖量I=KS0t，蔗糖轉(zhuǎn)化量隨糖汁在蒸發(fā)罐內(nèi)的停留時間增加而增加；同樣，還原糖的分解以及有機(jī)物，如氨基酸、酰胺等也與蔗糖一樣，受溫度、堿度和時間的支配，如要在蒸發(fā)過程中減少蒸發(fā)糖漿純度下降，就必須盡可能的減少糖汁在蒸發(fā)罐內(nèi)的停留時間［4］。

綜上所述，糖汁在蒸發(fā)過程中純度下降，其原因可以歸納為以下幾個方面。

第一，糖汁中各類物質(zhì)分解產(chǎn)生酸性物質(zhì)，降低糖汁堿度，加快糖汁轉(zhuǎn)化。主要分解物質(zhì)為酰胺的分解，糖汁在清凈處理過程中未能有效除去的酰胺，在蒸發(fā)過程中會繼續(xù)發(fā)生分解，氨氮類形成不凝氣體排出，糖汁中氫離子濃度升高；還原糖的分解產(chǎn)物隨條件不同而異，一般生成有機(jī)酸，如乳酸、醋酸、乙酸、腐植酸等，使糖汁的氫離子濃度增加；蔗糖的分解，蔗糖在酸性條件下，受pH值、溫度及時間的影響而加劇，所產(chǎn)生的還原糖進(jìn)一步分解成有機(jī)酸，而降低糖汁堿度。

第二，入罐清汁純度對蒸發(fā)糖漿純度下降也產(chǎn)生影響，在入罐清汁純度較低時，其無機(jī)非糖分、還原糖含量均較高、易分解，促使蒸發(fā)過程糖汁加快轉(zhuǎn)化。

第三，糖漿在蒸發(fā)罐內(nèi)停留時間長的影響，主要表現(xiàn)為蒸發(fā)罐效能低的影響，由于采用磷酸亞硫酸法生產(chǎn)工藝，過程中不免產(chǎn)生可溶性或不溶性鈣鹽，隨著濃度及溫度的上升，可溶性鈣鹽在蒸發(fā)罐內(nèi)析出附著于加熱管壁，阻礙了蒸發(fā)傳熱，降低蒸發(fā)效能，延長了糖汁在罐內(nèi)的停留時間。蒸發(fā)各罐真空度的影響，末效真空度是保證糖汁對流循環(huán)的推動力，當(dāng)末效真空度不足時，蒸發(fā)各罐糖汁無法保持有效沸騰，糖汁較難收濃，同樣也延長了糖汁在蒸發(fā)罐內(nèi)的停留時間。糖汁過罐管路設(shè)計的影響，對于新建的糖廠，其管路布局、走向均經(jīng)過統(tǒng)一設(shè)計、優(yōu)化，糖汁過罐時阻力較小，過罐速度快；而對于建廠年份較長，且經(jīng)過多次擴(kuò)建的老廠則有很大的不同，由于空間、布局的局限性，不得不采用并聯(lián)、交互式的管路設(shè)計，存在較多拐角，增加了糖汁過罐阻力。

2 應(yīng)對措施

蒸發(fā)糖漿純度下降對生產(chǎn)是很不利的，它直接影響到糖分的收回率，由于蔗糖分的轉(zhuǎn)化及還原糖分的分解，在一定程度上影響了產(chǎn)品質(zhì)量，同時也影響后序物料的處理，如蒸發(fā)粗糖漿純度過低，甲糖煮制過程晶體吸收速度慢、晶體不長大、顆粒小，影響分蜜過程分離。又由于顆粒度太小，分蜜過程中產(chǎn)生糖頭多，加大了物料回煮量，既降低收回率又增加能源消耗，同時顆粒度太小，分類篩沒有起到較好的分離效果，易造成糖濕、冷卻速度慢等問題，影響后序裝包及產(chǎn)品儲存。因此要解決這些問題要從源頭入手。

第一，提高原料蔗質(zhì)量，提高入罐清汁純度。蒸發(fā)糖漿純度下降嚴(yán)重的主要原因之一是原料蔗質(zhì)量差。原料蔗質(zhì)量差，其蔗糖分、純度就低；其還原糖分、非糖分就高。要提高甘蔗質(zhì)量必須從源頭抓起，首先是農(nóng)務(wù)科要加快推進(jìn)“雙高”基地的建設(shè)，提高甘蔗種植和管理；企業(yè)需加快機(jī)械聯(lián)合收割技術(shù)的推進(jìn)工作，提高機(jī)械收割面積，確保進(jìn)廠原料蔗的新鮮度。企業(yè)需要強化內(nèi)部管理，做好蔗廠甘蔗的翻堆工作，保證蔗廠存蔗時間不超過24小時。

第二，提高清凈效率，提高入罐清汁純度。清凈效率的提高，需要清凈工序做好中和崗位的穩(wěn)定控制工作，使用吸附力強的絮凝劑及高效石灰乳，使形成的絮狀物網(wǎng)絡(luò)能力更大，可有效去除糖汁中的雜質(zhì)。在甘蔗成熟度較高的時間，可以將清汁pH值控制在7.2~7.4，以最大程度的提高清凈效率。

第三，提高蒸發(fā)效能，減少糖汁在蒸發(fā)罐內(nèi)的停留時間。提高蒸發(fā)效能關(guān)鍵在于提高蒸發(fā)罐加熱管的傳熱效率。由于清汁鈣鹽的析出，加熱管壁附著的積垢阻礙了傳熱，因此需要定期通洗蒸發(fā)罐加熱管。由于目前采用自動通罐設(shè)備技術(shù)的成熟，通罐壓力可以達(dá)到900kPa，是人工通洗壓力的1.8倍，減少加熱管積垢和通罐次數(shù)。提高蒸發(fā)罐末效真空度，使蒸發(fā)罐內(nèi)負(fù)壓增大，糖汁沸點降低，促進(jìn)糖汁的對流循環(huán)，提高糖汁蒸發(fā)量，有效減少糖汁在罐內(nèi)的停留時間，使用雙過濾高效霧化冷凝器能穩(wěn)定保持蒸發(fā)罐末效真空度，提高蒸發(fā)效能。

第四，“嚴(yán)格制度、均衡生產(chǎn)”。嚴(yán)格制度，包括合理制定蒸發(fā)操作液位管理規(guī)定、蒸發(fā)罐輪洗管理制度、煮糖抽用汁汽管理制度等等。各種相應(yīng)制度的出臺目的是為了在穩(wěn)定蒸發(fā)罐液位的同時能保證蒸發(fā)罐能干凈、及時的通洗；澄清工段要適當(dāng)根據(jù)混合汁來量情況調(diào)節(jié)好硫磺爐燃燒系統(tǒng)，保證硫氣供應(yīng)并及時調(diào)節(jié)中和器，使各物料平衡；煮糖工序要根據(jù)抽汁汽的相關(guān)制度要求，合理調(diào)節(jié)抽用汁汽，保證蒸發(fā)工序用汽均衡。

3 結(jié)語

制糖企業(yè)是傳統(tǒng)的食品生產(chǎn)企業(yè)，使用的是傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，在現(xiàn)有條件下，大刀闊斧的進(jìn)行設(shè)備改造在技術(shù)上和資金上都存在很大的瓶頸，因此，可以從改進(jìn)工藝方面入手，優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)備組合，做好整個煮煉過程的控制、做好設(shè)備清潔和維護(hù)以及加強對員工的技術(shù)提升等方面的工作，降低糖分的過程損失，使企業(yè)獲得經(jīng)濟(jì)效益的提高，促進(jìn)制糖企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)的生存和發(fā)展。當(dāng)前蒸發(fā)糖漿純度降仍然很大，通過改進(jìn)工藝技術(shù)、加強設(shè)備和人員的管理，降低糖分損失的潛力很大。