甘蔗收获机械化的制糖工艺思考

潘莉莉，石宝雄，周 昊，李 文，谢彩锋，李 凯,6,7

(1广西大学糖业及综合利用教育部工程研究中心，广西南宁530004；2蔗糖产业省部共建协同创新中心，广西南宁530004；3广西制糖学会，广西南宁530004；4广西扶南东亚糖业有限公司，广西崇左532200；5广西民族大学化学化工学院，广西南宁530006；6广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004；7广西绿色制糖工程技术研究中心，广西南宁530004)

0 引言

传统甘蔗生产模式主要依靠劳动力和工具，劳动用工量大，生产效率低，成本高。随着农业劳动力结构失衡的加剧、劳动力成本的逐年上升以及制糖企业规模的扩大，现有的劳动力资源已然不能满足制糖企业对甘蔗生产的需要，甘蔗生产全程机械化成为必然趋势[1-2]。《国务院关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》(国发〔2018〕42号)明确指出，到2020年“棉油糖、果菜茶等大宗经济作物全程机械化生产体系基本建立”，2025年“甘蔗收获机械化率达到30%”。然而，随着甘蔗生产全程机械化进程的推进，发现入榨甘蔗夹杂物量较传统人工收获大幅增加，给现行的制糖生产工艺带来了新的挑战，制糖工艺应如何变革以适应甘蔗生产全程机械化进程的步伐，成为全行业关注和热议的焦点。

1 甘蔗生产机械化现状概述

现有的甘蔗生产机械化技术主要有：蔗地深耕深松、种植、中耕施肥培土、植保、排灌、收获、蔗叶粉碎还田等。目前，欧美等发达国家的甘蔗生产已基本实现甘蔗生产全程机械化，日本、巴西、菲律宾、南非等国也在较大程度上实现了机械化[3]。我国于上世纪六七十年代开始大力推动和发展甘蔗生产机械化，随着科学技术的发展，甘蔗生产机械化水平取得了长足的进步。然而截至 2018/19年制糖期，根据国家糖料产业技术体系数据统计显示，我国甘蔗生产综合机械化率仅为48%，其中机耕率和机种率分别达到87%、41%，机收率不足5%；即使在甘蔗种植面积和食糖产量占据全国60%以上的广西[4]，甘蔗生产机耕率综合机械化率也仅为60.41%[5]，机耕率和机种率分别达到 96.92%、58.57%，“双高”基地机收率亦不足10%(表1)。从目前来看，我国甘蔗生产机械化水平虽较以往有了较大提高，但距离《国务院关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》2025年“甘蔗收获机械化率达到30%”的目标仍有较大差距。

表1 2018/19年制糖期我国甘蔗生产机械化水平

甘蔗生产全程机械化的推广应用需满足3大条件：一是需要性能过关、适用性强的机械化机具；二是机械化收获的效益满足种植户要求；三是机械化收获的甘蔗质量符合制糖企业要求。随着甘蔗生产机械化进程快速推进以及人工收获费用的大幅度提高，前两大条件已在较大程度上得到了解决；目前主要瓶颈在于机收蔗质量对制糖工艺产生较大冲击，严重影响制糖企业白砂糖产品质量及糖分收回。

2 甘蔗制糖工艺现状

2.1 制糖工艺现状概述

国际上，甘蔗制糖生产的工艺路线可分为2种：一是经过提汁、清净、浓缩、结晶、筛分干燥等工序直接生产商品砂糖的生产过程，只有一次结晶，称之为“一步法”；另一种是先按上述工艺制成原糖，再回溶进行精制加工制成精炼糖或高等级白砂糖，包含2次结晶故称为“二步法”。

从甘蔗提取的蔗汁成分非常复杂，除目标提取物蔗糖(占10%～19%)外，还含有各种无机和有机的非糖杂质(占1%～4%)，需进行清净处理，清净工艺是决定最终产品种类和质量的关键环节[6]。“一步法”制糖工艺一般以澄清方法来命名，澄清方法则依据所用的主要澄清助剂命名。目前，世界各国采用的传统制糖工艺方法主要有石灰法、亚硫酸法、碳酸法3大类，膜分离法因其优异的分离效率近年来逐渐为制糖行业所应用[7]。各制糖工艺方法的主要生产步骤及涉及的澄清助剂如表2所示。

表2 现有的制糖工艺方法步骤要素

2.2 “一步法”工艺简介

2.2.1 石灰法工艺

石灰法是以石灰为主要澄清助剂的糖汁清净方法，其原理是利用CaO微粒带正电，与负电胶体产生脱稳凝聚而电中和沉淀，生成蔗糖钙盐起到中和有机酸、沉淀及凝聚非糖分、分解非糖分的作用，清净效率约为 3%～8%。其流程短、糖汁停留时间不长，过程污染及能耗低，生产能力相较亚硫酸法、碳酸法提高约 20%～30%；然而，该方法沉淀不够结实，泥汁体积大，清汁导出困难，澄清过程分解的色素以及蒸发、结晶过程中形成的色素无法去除，仅能生产色泽较深的原糖。

2.2.2 亚硫酸法工艺

亚硫酸法是用石灰和二氧化硫作为澄清剂的糖汁清净方法。目前普遍采用的磷酸亚硫酸法还适当加入了磷酸或可溶性磷酸盐作为辅助澄清剂，其原理是利用SO2、Ca2+和水结合生成CaSO3，吸附胶体非糖分，抑制色素的生成，可生成沉淀而除去；利用磷酸与钙离子反应生成 Ca3(PO)2，吸附大量可溶性钙盐，微粒与钙离子架桥作用形成絮凝物，捕集悬浮杂质，沉降去除，清净效率随过程均衡性波动较大，一般在3%～16%之间。亚硫酸法的工艺流程短、设备简单、澄清效率较高，可在一定范围内通过改变工艺适用于各种不同性质的蔗汁，但其清净效率不理想、除去非糖分不多，清汁钙盐含量高、灰分高，蒸发积垢严重，白砂糖含色素和有机物偏高，贮存时易变黄吸湿，难以满足高档饮料糖的需求。

2.2.3 碳酸法工艺

碳酸法是以石灰和二氧化碳作为澄清剂的糖汁清净方法，其原理是大量加灰使蔗汁pH值达到11，使胶体达到等电点凝聚，同时二氧化碳与石灰生成CaCO3，吸附除去可溶性钙盐、胶体物及色素物，清净效率约为 20%～45%。该法清净效率高，所得产品砂糖蔗糖分高、色值低、不溶于水杂质少、品质佳；然而，该方法流程较长、设备投资大、澄清助剂用量大、高碱过程易破坏还原糖而增色，所产碱性滤泥无法处理，其资源及环保压力大。

2.2.4 膜分离工艺

膜分离工艺是近年绿色制糖研究的热点，利用特定膜的物理筛分作用，在某一驱动力的作用下达到分离水溶液中的液体、分子或离子，实现净化或浓缩被分离物，其驱动力是膜两侧的压力差、电位差、浓度差[8]。清净效率因膜孔径及操作条件而异[9-10]，可在3%～60%调节。目前膜分离技术应用于制糖生产中，一般添加少量石灰以中和糖汁，避免因糖汁原本的酸性环境使蔗糖转化。膜分离工艺具有工艺流程短、糖汁停留时间短、设备简单、无/少量添加化学助剂、糖分损失少、节能环保，可在较大范围内适用各种不同性质的蔗汁，实现澄清自动控制等优点，但其对预处理要求较高，设备一次性投入较大，同时其浓缩液应用正处于探索阶段，大规模应用尚需时日。

2.3 “二步法”工艺简介

“二步法”通常先采用石灰法生产原糖，然后原糖重新溶解经CO2饱充澄清或树脂脱色脱盐，再一次结晶生产精制糖或高等级白砂糖。其优点是经二次澄清除杂和二次结晶提纯后产品质量高，能满足高档饮料糖的消费需求，同时制糖过程污染物较少，有利于环境保护；但相对于“一步法”，其生产流程长，设备投资大，能耗大，存在糖分损失，产品成本相对增加。

表3 “一步法”和“二步法”制糖工艺对比

2.4 现行制糖工艺应用情况

“二步法”制糖虽较“一步法”能源消耗大、生产成本略有增加，但产品质量高、能适应规模化、集约化生产等优势使其广为国外制糖企业应用，两工艺方法对比见表 3。据了解，全球有 100多个国家或地区种蔗制糖，制糖加工工艺技术均属于化学法，国外以“二步法”为主，仅有印度和缅甸的部分国内消费食糖采用“一步法”工艺生产，而我国普遍使用“一步法”亚硫酸工艺(全国仅有1家甘蔗制糖企业采用碳酸法)。

3 制约甘蔗收获机械化进程的制糖工艺因素

3.1 机械化收获甘蔗质量情况

人工收获与机械化收获甘蔗的物料形状、含杂等均有较大差异。传统的人工收获模式下，甘蔗收获的外观质量要求为：蔗梢削至生长点下明显见肉、蔗头不带“烟斗头”、剥去蔗叶，其含杂率一般为0.2%～3%；机械收获方式下，切断式甘蔗收获机的作业质量要求为含杂率≤8%，但由于其作业特性及环境因素等综合影响，含杂率一般为7%～20%，如遇雨天或潮湿天气，机收甘蔗质量更差，黏土蔗区甘蔗含杂率可高达25%[11]。

机械化收获的甘蔗中带有的夹杂物的种类有：蔗梢、蔗叶、蔗尾、蔗蔸、泥土、沙石、铁器等。其中蔗叶、蔗蔸可通过除杂系统部分去除，蔗尾/梢随蔗茎进入主流程，在加工过程中溶解出多酚、氨基氮等致色物质及胶体物质，迫使制糖生产过程须采用添加大量澄清剂的工艺以达到相应产品质量要求；泥土、沙石、铁器等则仅少量可筛滤去除，大部分则通过沉淀池沉降进入滤泥中。

3.2 机械化收获甘蔗对制糖各工序的影响

机械化收获的甘蔗所带来的夹杂物对现有制糖过程的各个工序都会产生不同程度的不良影响，甚至会带来毁灭性的破坏，迫使制糖生产中断[12]。

3.2.1 压榨工序

(1)加速撕解机蔗刀和榨辊、泵阀等的磨损：由于夹杂物中含有大量泥沙及部分铁器，撕解机刀尖及榨辊、泵阀等磨损加快。

(2)易引起蔗料在输蔗带上打滑：因分段砍收甘蔗进入蔗槽后密度增大及切面增多，经撕解机破碎后蔗丝变结实、蔗汁流淌，蔗料易在输蔗带上打滑。

(3)增加能耗：机械收获甘蔗所带来的夹杂物使得设备负荷加大，尤其所夹带的铁器、泥沙使设备能耗急剧增加，尖峰负荷甚至使设备超负荷运行，影响使用寿命。

(4)堵塞管道：机械收获甘蔗含有的泥沙随物料进入混合汁箱，泵送过程中易使输送泵和管道堵塞。

(5)设备运行安全率下降：由于夹杂物造成的设备磨损使设备持蔗能力下降，物料无法向前输送而引起堵塞；以及由于夹带的泥沙堵塞泵和管路，会导致设备运行安全率下降。

3.2.2 澄清工序

机械收获带来的蔗叶、蔗梢等夹杂物进入到澄清工序后，在高温的作用下加速溶解出大量多酚、氨基氮、胶体等杂质，使蔗汁色泽加深、粘度加大，加大澄清助剂用量可起一定的澄清作用，但效果有限，清汁色值高；所带来的泥、沙等物质在沉淀池中主要依靠重力作用下沉，大部分细小微粒在沉淀池中呈悬浮状态，使清汁浑浊不清。

3.2.3 蒸发工序

澄清工序未能去除的非糖分物质以及未完全反应的澄清助剂在蒸发工序被浓缩，在加热面上析出，形成大量积垢，使得传热性能下降，增加能耗。

3.2.4 煮糖工序

煮糖原料糖浆色值高、胶体量大，糖膏煮制吸收效果差、耗时长，产品质量差；糖分收回下降，最终糖蜜量增加。

3.2.5 锅炉车间

机收甘蔗中泥沙等物质混杂在蔗渣中，进入锅炉易堵塞炉排和空气预热器，形成积垢，影响锅炉传热效果和燃烧效率，造成产汽量下降，增加能耗。

3.3 机械化收获甘蔗对产品、副产品的影响

机收蔗所带来的夹杂物不仅给制糖生产过程带来不良影响，且会影响最终产品白砂糖以及三大副产物蔗渣、滤泥和最终糖蜜的产量和品质，见表4。

表4 机械化收获甘蔗对制糖生产产品和副产品的影响

4 制糖工艺变革是突破甘蔗收获机械化瓶颈的基础

4.1 制糖企业应对甘蔗生产机械化收获现有措施

鉴于不同收获方式的甘蔗物料形状及含杂等的差异性，机械化收获模式对制糖企业原有的生产方式提出了更高的要求，目前部分制糖企业已做出积极应对，通过升级甘蔗预处理系统、强化制糖工艺等措施，使制糖生产环节更好地适应甘蔗生产机械化收获模式，提高生产效率。

4.1.1 厂内甘蔗预处理除杂系统

在改善机械化收获甘蔗质量和提高加工产品质量的方法中，设置厂内甘蔗预处理除杂是最为简便的方法，是机收甘蔗负影响的有效补救措施。机收甘蔗运至工厂后进入预处理除杂系统，可去除甘蔗夹带的泥沙、铁器、蔗叶等杂物，对延长制糖设备的寿命和减少澄清助剂用量、提高产品质量及收回率有着积极的意义[13]。

目前，国际上甘蔗预处理除杂方式分为湿法除杂和干法除杂，即：水洗式除杂和机械式除杂，其优缺点如表5所示。水洗式除杂因需要消耗大量水资源且易增加水处理系统负荷、糖分损失高等不足，不为我国制糖企业所接受。我国制糖企业通常采用机械式除杂处理方式，随着应用推广及持续完善，除杂效果得到较大提高；根据报道及调研显示，目前甘蔗预处理除杂系统除杂效率约为 20%～50%，然而，如遇阴雨天，黏结的泥土及其与蔗茎蔗叶间的“架桥团聚”作用，形成较强的粘结力，使甘蔗预处理除杂系统收效甚微[14-15]。

表5 甘蔗生产机械化收获预处理除杂方式比较

尽管甘蔗预处理除杂系统可在一定程度上缓解制糖工艺负面影响，但其分离出的夹杂物所造成的二次污染已经成为企业新的负担，其方式仍有待商榷。因此，在甘蔗收获机械设备制造中，严格风送除杂设计应该是目前比较合理的技术选择，既可使杂物还田，又可减少运输成本，同时避免了制糖企业的二次污染问题。

4.1.2 制糖工艺强化

甘蔗入榨前未能及时去除的泥沙、蔗梢、蔗叶等夹杂物随着蔗料的反复压榨进入到混合汁中，迫使制糖生产过程不得不通过加大澄清助剂的用量辅助澄清去除，如：采用高磷高硫高碱“三高”工艺，利用生成的 CaSO3、Ca3(PO)2等的吸附作用，沉淀去除部分悬浮于蔗汁中的杂质。

4.2 产业结构及其工艺变革

尽管甘蔗预处理除杂系统和强化制糖工艺可在一定程度上降低机收甘蔗所带来的夹杂物对制糖生产的负面影响，但由于除杂率不高且现行制糖工艺清净效率毕竟有限，制糖生产仍在较大程度上受机收甘蔗含杂的影响，无法解决甘蔗生产全程机械化与制糖生产要求之间的根本矛盾。显然，制糖工艺及其最终产品模式变革以适应甘蔗生产全程机械化发展，已经势在必行。

4.2.1 构建“农工一体化”利益分配模式

制糖产业是典型的农产加工业，农工关系紧密，但由于历史原因，一直以来农业与工业条块分割，缺失良好的利益分配机制，与发达国家的“分糖制”存在显著差异。由于利益角度不同，农业强调原料甘蔗的重量和人工费用的高昂付出，对于结算扣杂颇有怨言；工业追求产品质量和收回率，在一定程度上抵制机收甘蔗(主要是分段式)；进而造成双方沟通不畅，制约产业现代化进程。其实，于整个产业而言，农业与工业的利益是一致的，产业良好发展才是各方共同的出路，因而，构建一体化的利益共同体是解决争端的有效途径。

4.2.2 构建“分制原糖、集中精炼”制糖生产模式

4.2.2.1 分制原糖

把大部分糖厂改造成为原糖加工厂，原糖生产工艺对原料质量要求可以适当放宽；其工艺效率能较好满足产品质量需求，破解澄清过程自动化和煮糖过程颗粒控制两大技术瓶颈，实现全过程自动化控制，达到减员增效的工艺效果；由于工艺过程较目前亚硫酸法、碳酸法相对简单，还可以减少非榨期对设备的维护保养费用；所生产的原糖作为精炼糖厂的原料，成为“季产年销、订单生产”的“蓄水池”，有利于平衡调节市场需求。

4.2.2.2 集中精炼

以集团为单位，合理布局，将交通条件及协作条件好的几家糖厂改造成为炼糖企业；根据市场端的要求加工集团内部或其他来源的原糖，其最终产品质量高，可满足高档饮料糖的需要，满足人们日益提高的生活水平的需要；精炼企业可实现全过程自动控制，全年生产，破解季节性生产问题，提高设备利用率和劳动生产率；还有利于提高产业集中度，实现产品合理分工，提高专业化水平，稳定人才队伍；同时，其全过程污染小，综合效益显著。

4.2.3 标准体系完善

加强标准体系研究，完善现有标准体系。尤其是加快机收甘蔗标准研发，客观公正反映原料蔗质量与加工产品间的关联，实现按质论价；同时加快对下游用糖企业对应原料糖品的研究与标准构建，根据市场需要调整现有标准指标，适应市场需求。

4.2.4 强化绿色加工工艺，推进产业多元发展

针对传统制糖工艺中添加化学助剂影响糖品安全及产业链延长问题，以膜物理澄清技术为基础耦合脱色除盐等澄清技术，实施膜物理澄清与浓缩等为核心生产高品质糖浆，开发甘蔗含水资源化技术，开发甘蔗纤维利用技术，开发糖蜜生物化工利用技术，实现高品质高值化多元绿色生产新模式，推动传统“蔗糖产业”向现代“甘蔗产业”发展[16-17]。

5 展望

实现甘蔗生产全程机械化，是提高甘蔗生产效率的重要条件，也是降低甘蔗成本，进而降低食糖生产成本的根本途径。制糖生产面对工业化的农业生产模式转变应积极变革传统工艺方式及产品模式，激活自身可持续发展动力的同时推动甘蔗规模化生产，全面降低生产综合成本，才能提高产业核心竞争力。