優(yōu)化煮糖制度提高煮煉回收率的研究

王鞠萱，李朝明，黃振軍，梅 二，曾練強(qiáng)，鐘志才*

(1云南英茂糖業(yè)(集團(tuán))有限公司，云南昆明650228；2云南西雙版納英茂糖業(yè)有限公司，云南景洪666100；3云南西雙版納英茂糖業(yè)有限公司景真糖廠，云南勐海666300；4廣東省科學(xué)院生物工程研究所，廣東廣州510316)

0 引言

在制糖工業(yè)生產(chǎn)中，煮糖工序是關(guān)鍵而重要的環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)澄清、蒸發(fā)處理的糖漿，最終在煮糖罐內(nèi)結(jié)晶成糖，這一道工序控制的好壞直接影響著蔗糖產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，從而決定著糖廠的經(jīng)濟(jì)效益[1]。煮糖的任務(wù)是應(yīng)用結(jié)晶的原理，在煮糖罐內(nèi)進(jìn)一步濃縮糖漿，使糖漿中的蔗糖形成高純度的蔗糖晶體結(jié)晶而析出。根據(jù)結(jié)晶的特性和產(chǎn)品質(zhì)量的要求，不可能一次把糖分都提取出來(lái)，而為了把糖漿中的蔗糖分最大限度地提取出來(lái)，就必須在煮糖工序采用多段煮糖，即分段提取糖分的方法[2]。為了做好這個(gè)多段提糖的過(guò)程，需要把各種物料純度的控制、調(diào)配的比例、煮制程序和要求都事先編排好，以便執(zhí)行操作[3]，這就是煮糖制度。多段煮糖的段數(shù)主要根據(jù)原料糖漿的純度、產(chǎn)品的品種和質(zhì)量要求而定，我國(guó)的甘蔗糖廠一般采用三段煮糖工藝：第一段甲糖即為產(chǎn)品白砂糖，第二段乙糖一般是用作甲糖的種子利用，第三段丙糖(赤砂糖)是最后一段提糖工序產(chǎn)物，其自然產(chǎn)量與甲糖(白砂糖)的比例約為 10%～12%，其中丙糖的處理方法直接影響白砂糖產(chǎn)品質(zhì)量和煮煉回收率，是糖廠生產(chǎn)重要的環(huán)節(jié)[4]。

目前丙糖的處理方法主要有下面3種方法：①丙糖作為乙糖種子進(jìn)行套種處理。套種法流程簡(jiǎn)單，物料回煮量少，對(duì)提高糖廠生產(chǎn)處理量及降低能耗有明顯效果，但對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有影響，要求丙糖的質(zhì)量必須控制好，控制不好會(huì)對(duì)白砂糖產(chǎn)品質(zhì)量和回收率有不良影響；②丙糖回溶處理?；厝軐?shí)際是一種重結(jié)晶的方法，回溶糖漿一般要進(jìn)行必要的澄清處理才能進(jìn)行重結(jié)晶，回溶法相當(dāng)于增加物料的處理量，而且處理過(guò)程會(huì)造成蔗糖的轉(zhuǎn)化損失，能耗增加[5-6]；③丙糖直接作為產(chǎn)品(赤砂糖)出廠銷售，此方法流程更加簡(jiǎn)單，產(chǎn)品質(zhì)量及回收都能得到較好的結(jié)果，但前提是赤砂糖必須有相對(duì)穩(wěn)定的需求客戶，而目前赤砂糖的國(guó)內(nèi)消費(fèi)不是主流產(chǎn)品，一旦銷售受阻，因產(chǎn)品的特性會(huì)造成較大經(jīng)濟(jì)損失[4]。

2017/18 年榨季云南西雙版納英茂糖業(yè)有限公司景真糖廠(下簡(jiǎn)稱“景真糖廠”)采用赤砂糖部分打包出售的煮糖制度，經(jīng)過(guò)工藝探索和試驗(yàn)，其生產(chǎn)的赤砂糖能滿足客戶對(duì)質(zhì)量的特殊需求，客戶訂購(gòu)意愿強(qiáng)烈，客源穩(wěn)定。2018/19年榨季和2019/20年榨季生產(chǎn)的赤砂糖均全部打包出售，2個(gè)榨季的實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，赤砂糖全部打包出售不僅具有較高的煮煉收回率和提糖率，而且白砂糖產(chǎn)品質(zhì)量也得到了提高。

1 煮糖制度制定的原則和煮煉回收率評(píng)價(jià)

1.1 煮糖制度的制定原則

煮糖制度是糖廠煮煉技術(shù)管理中的重要環(huán)節(jié)，必須要綜合考慮產(chǎn)品的質(zhì)量、糖分收回率、物料平衡、設(shè)備的配置和操作者的煮糖技術(shù)水平等眾多因素。合理的煮糖制度制定的基本要求是在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡可能降低糖蜜的純度和減少煮制糖膏的總量[7]。梁漢平[8]曾根據(jù)物料和糖分平衡的原理，按全產(chǎn)白砂糖的煮糖系統(tǒng)中各種物料純度和質(zhì)量關(guān)系(圖 1)以及流程推導(dǎo)出全產(chǎn)白砂糖的煮糖系統(tǒng)中各物料的質(zhì)量和純度之間的關(guān)系，如式(1)、(2)。

圖1 全產(chǎn)白砂糖的煮糖系統(tǒng)中各種物料純度和質(zhì)量關(guān)系

從上式(2)中，我們可以得出糖蜜產(chǎn)量mM與糖蜜純度M之間的關(guān)系，即糖蜜的純度越低，糖蜜的產(chǎn)量就越低，糖蜜帶走的蔗糖就越少，則提糖率越高。

基于上述梁漢平的模型與公式，對(duì)于既生產(chǎn)白砂糖又兼產(chǎn)赤砂糖的糖廠，煮糖系統(tǒng)中各種物料純度和質(zhì)量關(guān)系模型還要考慮丙膏量，我們可以把圖1的物料平衡圖變換為圖2的形式。

圖2 生產(chǎn)白砂糖和赤砂糖的煮糖系統(tǒng)物料純度和質(zhì)量的關(guān)系

根據(jù)圖 2，煮糖系統(tǒng)物料純度和質(zhì)量的關(guān)系公式可轉(zhuǎn)換為：

若設(shè)定丙糖打包出售量為m(0≤m≤mSC)，可得到白砂糖產(chǎn)量和糖蜜產(chǎn)量與純度之間的關(guān)系公式：

當(dāng)m=0時(shí)，即丙糖全部回溶，此時(shí)白砂糖產(chǎn)量與糖蜜產(chǎn)量與式(1)、(2)相同；

當(dāng)0＜m≤mSC時(shí)，白砂糖產(chǎn)量下降，直至m=mSC時(shí)(即丙糖全打包出售)，降至最低，式(5)可變?yōu)椋?/p>

當(dāng)0＜m≤mSC時(shí)，糖蜜產(chǎn)量也下降，直至m=mSC時(shí)(丙糖全打包)，降至最低，式(6)可變?yōu)椋?/p>

從公式(2)、(3)、(4)可知在糖漿和成品糖純度一定的條件下，丙膏的純度越高，丙膏的煮制量越大，相應(yīng)的丙糖量和糖蜜量也增加。但比較公式(2)和(6)可知，在丙糖和廢蜜純度一定的情況下，赤砂糖(丙糖直接作為產(chǎn)品)打包出售量越大，廢蜜產(chǎn)量越少。在丙膏和赤砂糖純度一定的條件下，廢蜜的純度越低，廢蜜的產(chǎn)率越低。上述2點(diǎn)對(duì)整個(gè)煮煉系統(tǒng)是必須兼顧平衡的，從丙膏系統(tǒng)而言，則是廢蜜純度一定的條件下，丙膏結(jié)晶率隨丙膏純度升高而升高，廢蜜產(chǎn)率也隨之降低。有些片面的觀點(diǎn)就是從這點(diǎn)出發(fā)，誤解為只要提高丙膏的純度，就可以降低廢蜜產(chǎn)率。實(shí)際上優(yōu)化煮糖制度必須從整個(gè)煮煉大系統(tǒng)出發(fā)，丙膏的純度和廢蜜的純度絕非可隨人們的意愿想降多低就降多低的，只能根據(jù)物料純度、煮糖設(shè)備狀況、煮糖操作者的技術(shù)能力和罐時(shí)平衡等進(jìn)行綜合考慮。

1.2 不同煮糖制度對(duì)煮煉回收率影響的評(píng)價(jià)

優(yōu)化煮糖制度要解決的技術(shù)問題主要是赤砂糖的處理方法和丙糖膏的純度確定。在糖漿純度和各系糖膏純度(主要是丙膏純度)基本一致的情況下，赤砂糖打包出售，赤砂糖產(chǎn)品無(wú)需循環(huán)處理，各系糖膏的煮制量相應(yīng)減少，并且減少煮糖過(guò)程的蔗糖轉(zhuǎn)化等帶來(lái)的損失，最終的廢蜜量會(huì)減少，糖蜜帶走的糖分也隨之降低，因此回收率高。對(duì)于不同榨季的煮煉回收率的比較，我們認(rèn)為單一變量才能真正反映這一變量對(duì)回收率的影響評(píng)價(jià)，本文將2017/18年榨季和2019/20年榨季在丙膏純度基本一致的前提下，針對(duì)赤砂糖部分打包出售和全部打包出售的不同，對(duì)煮煉回收率的影響作評(píng)價(jià)；同時(shí)基于2018/19年榨季和2019/20年榨季赤砂糖均全部打包出售，但丙糖膏純度不同的情況，對(duì)煮煉回收率的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 生產(chǎn)實(shí)際效果及分析

2.1 糖廠近3個(gè)榨季的生產(chǎn)情況

景真糖廠2017/18～2019/20年榨季近3個(gè)榨季的甘蔗蔗糖分逐年有所增加，初壓汁純度及糖漿純度和廢蜜純度基本接近，但煮糖制度有所不同，其中 2017/18年榨季為少量赤砂糖打包出售，其余赤砂糖循環(huán)再結(jié)晶；2018/19年榨季和2019/20年榨季則是全部赤砂糖打包出售。但 2018/19年榨季為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，將各系糖膏的純度(主要是丙膏的純度)適當(dāng)提高，即各系煮糖物料純度有變化。近3個(gè)榨季景真糖廠煮糖各種物料的具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 近3個(gè)榨季景真糖廠主要物料基本數(shù)據(jù)

從表1可知，2017/18年榨季和2018/19年榨季與煮煉回收率相關(guān)的數(shù)據(jù)中，丙糖膏純度和赤砂糖打包量(打包赤砂糖量與蔗比)這2個(gè)指標(biāo)相差較大，也就是說(shuō)有 2個(gè)變量，因此比較煮煉回收率的提高或減少影響因素較復(fù)雜，本文不作比較。2017/18年榨季和 2019/20年榨季與煮煉回收率相關(guān)的數(shù)據(jù)只有赤砂糖打包量(打包赤砂糖量與蔗比)不同這一變量，本文就這個(gè)變量對(duì)煮煉回收率的影響作比較，得出赤砂糖少量打包與全部打包對(duì)煮煉回收率影響的評(píng)價(jià)結(jié)論。而2018/19年榨季和2019/20年榨季(赤砂糖均全部打包出售)與煮煉回收率相關(guān)的數(shù)據(jù)中只有丙膏純度有明顯差異這一變量，本文基于此就丙膏純度高或低對(duì)煮煉回收率的影響作比較得出評(píng)價(jià)結(jié)論。

2.2 2017/18年榨季赤砂糖少量打包與2019/20年榨季赤砂糖全部打包的生產(chǎn)情況比較

2017/18 年榨季赤砂糖打包量為1425 t，打包赤砂糖量對(duì)蔗比為 0.24%，打包赤砂糖量約占全部赤砂糖量的20%，余下80%的赤砂糖全部回溶重新結(jié)晶，增加煮糖物料的處理量，處理過(guò)程會(huì)造成蔗糖的轉(zhuǎn)化損失及廢蜜量增加，廢蜜與蔗比為 3.45%。2019/20年榨季赤砂糖全部打包，赤砂糖無(wú)需重新結(jié)晶，減少煮糖物料處理量，廢蜜與蔗比為 2.82%。表2為2017/18年榨季和2019/20年榨季與煮煉回收率相關(guān)的生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)。

從表2可知，2017/18年榨季和2019/20年榨季初壓汁純度和糖漿純度有所差異，2019/20年榨季的初壓汁純度和糖漿純度均比 2017/18年榨季分別低1.01%(絕對(duì)值)和 1.04%(絕對(duì)值)，但是煮糖的甲、乙、丙膏的純度基本相同，2019/20年榨季糖漿純度低相對(duì)應(yīng)的廢蜜純度也低0.71%(絕對(duì)值)，如果赤砂糖的處理方法一樣，按上文公式模型的結(jié)論理論上應(yīng)該為2個(gè)榨季的煮煉回收率相差不大。但生產(chǎn)實(shí)際情況是 2019/20年榨季赤砂糖全部打包銷售，赤砂糖產(chǎn)品無(wú)需循環(huán)處理，減少了煮糖過(guò)程的蔗糖轉(zhuǎn)化等的損失，丙膏與蔗比減少0.63個(gè)百分點(diǎn)，廢蜜與蔗比也減少 0.63個(gè)百分點(diǎn)，煮煉回收率達(dá)到了92.68%，比2017/18年榨季的91.26%提高了1.42個(gè)百分點(diǎn)。因此我們認(rèn)為，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和煮糖制度基本一致的前提下，赤砂糖全部打包比赤砂糖小部分打包或全部回溶(套種)處理的工藝煮煉回收率更高，并且可以節(jié)約能源和罐時(shí)。

表2 2017/18和2019/20年榨季與煮煉回收率相關(guān)的生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)

2.3 赤砂糖全部打包的2018/19年榨季與2019/20年榨季生產(chǎn)情況比較

2018/19 年榨季是景真糖廠首次采用赤砂糖全部打包出售的煮糖制度，為達(dá)到更好的產(chǎn)品質(zhì)量要求，我們將各系糖膏的純度適當(dāng)提高，主要是煮制丙種時(shí)提高丙種純度，丙膏純度也相應(yīng)提高至59.2%，比之前榨季的約 57%提高了 2%(絕對(duì)值)，根據(jù)式(3)的推論會(huì)造成丙膏量的增加，同時(shí)廢蜜純度也會(huì)相應(yīng)提高，廢蜜帶走的糖分會(huì)增加。在2018/19年榨季煮糖制度的基礎(chǔ)上，2019/20年榨季，我們對(duì)各系煮糖配料的純度作進(jìn)一步優(yōu)化，特別是采取增加甲洗回煮甲糖膏的量，即高純度物料盡量往前移，使各系的糖膏純度相對(duì)下降，各系糖蜜也跟隨有所下降，最終使丙糖膏純度降低的煮糖制度，從而提高煮煉回收率。表 3為 2018/19年榨季和2019/20年榨季與煮煉回收率相關(guān)的生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)。

表3 2018/19和2019/20年榨季與煮煉回收率相關(guān)的生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)

從表3可知，2019/20年榨季甘蔗的初壓汁純度和糖漿純度均比2018/19年榨季的低0.31%(絕對(duì)值)和0.20%(絕對(duì)值)，糖汁的純度低說(shuō)明糖汁中含糖百分率低，糖汁純度與糖分回收率存在正相關(guān)關(guān)系，因此我們認(rèn)為 2019/20年榨季的甘蔗純度相對(duì)低些對(duì)糖分回收率的提高是不利的，然而 2019/20年榨季我們對(duì)煮糖制度稍作調(diào)整，主要是采取甲洗回煮甲糖膏的量適當(dāng)增加，甲洗只能用于起種底料，其他全部回煮甲糖膏，即高純度物料盡量往前移，使2019/20年榨季的甲糖膏與蔗比為 24.23%，比2018/19年榨季的23.57%提高0.66個(gè)百分點(diǎn)，并且可以使各系的糖膏純度相對(duì)下降，各系糖蜜也跟隨有所下降，最終丙糖膏的純度從 2018/19年榨季的59.20%下降至 2019/20年榨季的 56.93%，下降2.27%(絕對(duì)值)，根據(jù)上文式(3)和(4)可知，丙膏的純度越低，成品糖的產(chǎn)率越高，丙膏的量越少，表 1生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)表明 2019/20年榨季丙糖膏與蔗比為4.41%，比2018/19年榨季的4.56%降低0.15個(gè)百分點(diǎn)，相應(yīng)的廢蜜純度也從2018/19年榨季的42.59%下降至2019/20年榨季的41.23%，下降1.36%(絕對(duì)值)。廢蜜與蔗比也從3.18%降至2.82%，廢蜜帶走的蔗糖量少，使煮煉回收率提高，2019/20年榨季煮煉回收率達(dá)到92.68%，比2018/19年榨季的91.88%提高 0.8個(gè)百分點(diǎn)。因此可以得到在煮糖制度基本一致的前提下，丙膏純度越低，丙膏量越少，在丙糖結(jié)晶率基本不變的情況下煮煉回收率越高。

2.4 近3個(gè)榨季的白砂糖產(chǎn)品質(zhì)量情況

煮糖結(jié)晶是整個(gè)制糖過(guò)程的重要工段，制定合理可行的煮糖制度，必須綜合考慮產(chǎn)品質(zhì)量，糖分回收率和經(jīng)濟(jì)效益等。我們認(rèn)為在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，才能追求提高糖分回收率，表4為景真糖廠近3個(gè)榨季的白砂糖質(zhì)量指標(biāo)。

表4 近3個(gè)榨季白砂糖質(zhì)量指標(biāo)

從表3可知，2018/19年榨季和2019/20年榨季采用赤砂糖打包出售的煮糖工藝后，白砂糖不溶于水雜質(zhì)和二氧化硫等2項(xiàng)指標(biāo)得到較大幅度的下降，其他指標(biāo)基本保持不變，即是說(shuō)產(chǎn)品質(zhì)量得到提高，說(shuō)明赤砂糖全部打包銷售的煮糖制度既能提高產(chǎn)品質(zhì)量，又能提高煮煉回收率。

3 結(jié)語(yǔ)

景真糖廠2018/19年榨季和2019/20年榨季在采用赤砂糖全部打包出售煮糖制度下煮煉回收率均得到提高，2019/20年榨季通過(guò)對(duì)2018/19年榨季的煮糖制度作進(jìn)一步優(yōu)化，甲洗回煮甲糖膏的量適當(dāng)增加，即高純度物料盡量往前移，丙膏純度從2018/19年榨季時(shí)的59.2%降低至2019/20年榨季的56.93%，下降2.27%(絕對(duì)值)，相應(yīng)的廢蜜純度下降1.36%(絕對(duì)值)，最終達(dá)到丙膏量減少和廢蜜重力純度下降的目的，煮煉回收率達(dá)到92.68%，比2018/19年榨季的 91.88%提高 0.8個(gè)百分點(diǎn)。2019/20年榨季相比2017/18年榨季的少量赤砂糖打包(大部分赤砂糖回溶或套種)的煮煉回收率的91.26%提高1.42個(gè)百分點(diǎn)。

從景真糖廠2017/18年榨季至2019/20年榨季近3個(gè)榨季的煮糖制度的不同變化可以看出，赤砂糖全部打包出售的煮糖制度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提升和煮煉回收率的提高有良好的幫助，并可以減少煮制的糖膏總量，對(duì)糖廠節(jié)約能耗和提高日處理甘蔗量有良好幫助。