含炭炼糖滤泥用于原糖厂滤汁的脱色研究

谢凌波，邓国强，徐光辉，梁幼飞，温惠宇，韦利金，周少基，卢其园，王 健

（1.中粮崇左糖业有限公司，广西 崇左 532200；2.广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004；3.中粮营养健康研究院有限公司，北京 102209）

在二步法制糖生产中，原糖色值对精炼糖的产品质量有着重要影响。在二步法工艺中，原糖生产澄清工艺的泥汁过滤通常采用无滤布真空吸滤机，滤汁需要回流再次进行澄清处理，该过程延长了蔗汁在高温条件下的停留时间，因此造成了蔗糖的转化损失，同时也增加了澄清设备的负担。在中粮崇左糖业有限公司的炼糖工艺中，回溶糖浆的脱色工艺中包括了碳酸饱充、粉末活性炭辅助脱色、离子交换脱色工艺，因此炼糖滤泥中含有碳酸钙和粉末活性炭。由于该滤泥是在原糖回溶糖浆浓度为50～55°Bx，色值在600～1000IU下进行二氧化碳饱充和添加一定比例粉末活性炭吸附脱色而产生的，存在饱充汁浓度高、杂质多、混合吸附时间短等因素的影响，粉末活性炭的吸附能力并未达到完全饱和，对于色值更高而锤度更低的无滤布真空吸滤机过滤后的滤汁，可能具有富余的色素吸附能力。文献表明［1-2］，活性炭可以用于甘蔗汁脱色，但用量较高。将含有活性炭的炼糖滤泥用于原糖滤汁的脱色澄清，可实现废物再利用，减少澄清工艺负担和转化损失，并进一步降低成品原糖的色值，达到一举多得的目的。

为了了解炼糖滤泥的吸附特性，确定在回用于滤汁脱色中滤泥的最适添加量，本文进行含炭炼糖滤泥用于原糖厂滤汁的脱色研究，为工业应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

原糖车间无滤布真空吸滤机滤汁，冷藏于冰柜，使用前解冻。

炼糖厂滤泥，采自中粮崇左糖业有限公司，现采现用。

1.2 实验仪器

WZZ-2S数字式自动旋光仪；WYA-2S数字阿贝折射仪；SP-752紫外可见分光光度计；AL204电子天平；JJ-1增力电动搅拌器；HH-4S数显恒温水浴锅；PHS-25C型酸度计。

1.3 实验步骤

第一，将采样后冷冻保存的原糖车间无滤布真空吸滤汁从冰柜取出，解冻至室温。

第二，将采样后的炼糖滤泥进行干燥至恒重。

第三，取无滤布真空吸滤汁100mL于烧杯中，水浴加热至70℃。

第四，按设定值加入炼糖滤泥即干泥，搅拌5min使滤泥充分混合，用滤纸进行过滤，收集滤液样，按照国际测定标准ICUMSA测定色值。同时测定原滤汁色值。

2 研究背景

二步法制糖包含用甘蔗生产原糖和原糖精炼两个阶段。原糖品质对精糖的影响很大，而在诸多影响原糖品质的因素中，澄清过程是重要环节。原糖生产使用石灰法澄清工艺，澄清效率高，石灰消耗少，但原糖澄清过程未加入石灰以外的沉淀剂，其滤汁难以实现快速沉降。因此，如何让原糖滤汁快速沉降澄清是企业和科研机构研究人员需要解决的问题。

由于精炼糖采用碳酸法澄清工艺，炼糖产生的滤泥呈碱性，含有很多碳酸钙，处理难度大，且对环境污染严重。炼糖滤泥含有的碳酸钙是很好的吸附剂，而且，碳酸钙密度大，是很好的助沉助滤剂。经适当活化后，该滤泥用于滤汁澄清，具有一定的脱色能力，再利用后的炼糖滤泥由于与原糖滤泥的占比很小，且在澄清过程中pH值降低，吸附和混合了大量的有机物和杂质，可以与原糖滤泥一起作为肥料使用。

3 工艺流程说明

3.1 传统原糖澄清工艺

目前国际通用的原糖澄清工艺为石灰法，主要是利用石灰对蔗汁进行澄清的工艺，包括甘蔗混合汁加灰加热、絮凝沉降和泥汁过滤等过程。石灰法澄清工艺流程简单，石灰成本低。澄清后蔗汁中大部分的植物色素已经被除去，但澄清过程分解的色素以及蒸发、结晶过程中的色素无法除去，导致结晶后得到的成品糖色值高，并含有较高的灰分，脱色效果不如亚硫酸法和碳酸法。根据条件的不同，石灰法澄清工艺可以分成冷汁加灰法、热汁加灰法和分次加灰法三种。三种方法只是在加灰次数和加热顺序上不同，其工艺流程基本一致。最常用的是热汁加灰法，先将混合汁预热到60℃左右再加灰，这样做的优点是胶体物质尤其是蛋白质更容易凝聚，澄清效率高，且石灰耗用少；缺点是沉淀不够结实，泥汁量大，有时甚至会使清汁导出困难。中粮屯河崇左糖业有限公司采用的石灰法澄清工艺流程，如图1所示。

图1 石灰法原糖澄清工艺流程

3.2 使用炼糖滤泥后的原糖澄清工艺

将含有碳酸钙和活性炭的炼糖滤泥用于原糖吸滤汁辅助脱色并进行滤汁快沉，该工艺需要在原有原糖澄清设备的基础上增加一套吸滤汁快速沉降系统设备，将吸滤机处理后的滤汁直接进行沉降得到合格的沉降清汁，进入下一工序使用，避免了吸滤汁重新返回前端工序，从而减少了高温条件下因蔗汁停留时间过长造成的糖分损失，同时也减少了主沉降器的负荷，提高澄清效率。使用该项技术后的原糖澄清工艺流程，如图2所示。

图2 使用炼糖滤泥后的原糖澄清工艺流程

4 实验结果与讨论

4.1 炼糖滤泥滤汁脱色实验结果

利用中粮崇左糖业有限公司炼糖滤泥对原糖车间无滤布真空吸滤机滤汁进行混合脱色实验，结果如表1所示。滤汁的脱色率随滤泥添加量的变化规律，如图3所示。

由表1和图3可见。

图3 滤汁脱色率随滤泥添加量的变化

表1 滤汁脱色实验结果表

第一，炼糖滤泥用于原糖滤汁澄清，具有一定的脱色能力。在一定范围内，滤泥用量越多，脱色效果越好。

第二，在滤泥添加量为1%之前，滤汁脱色率随滤泥添加量的增加而明显增长，之后，脱色率随滤泥添加量的增加趋于平衡。

第三，从糖厂经济效益看，真空吸滤机产生的滤泥转光度不变的情况下，添加滤泥越多带走的糖分越多。综合考虑，最适滤泥添加量为干泥对滤汁比为1%，滤汁脱色率为75%。

4.2 炼糖滤泥滤汁色素吸附等温线

在同等温度下，在达到吸附平衡时，溶液的平衡色值随炼糖滤泥添加量的变化称为吸附脱色等温线。可用Langmuir或Freundlich模型进行描述。前者反映的是单分子吸附机理，后者反映的是多层吸附机理。

Langmuir等温线的方程式如下。

式中q是单位质量炼糖滤泥的平衡吸附量，单位是mg/g；qm是最大吸附能力，单位是mg/g；C是色素平衡浓度，b是描述吸附分子与吸附剂（mg-1）之间亲和性的常数。

Freundlich等温线的方程式如下。

其中KF和n是等温线的常数。

通过对以上方程的线性化，并对实验数据进行回归，可确定qm、b、KF和n。Langmuir等温线的线性化形式如下。

其斜率（qm-1）是最大吸附能力的倒数。

Freundlich等温线的线性化形式如下。

根据文献［3］，平衡吸附量q和色素平衡浓度C可由以下公式计算。

其中，S0和S分别为吸附脱色前后糖汁的色值，单位是IU；M为炼糖滤泥的添加量，单位是g。

为了了解炼糖滤泥滤汁吸附脱色的机理，利用滤汁脱色实验数据进行Langmuir和Freundlich吸附模型的回归。

Langmuir模型的回归曲线，如图4所示。由图4可见，按式（5）和（6）计算单位质量炼糖滤泥吸附量q和吸附平衡色素浓度C，回归曲线相关系数R2为0.0812，同时，最大吸附量qm为负数。说明实验数据与Langmuir模型不相符，模型不能反映炼糖滤泥滤汁吸附脱色的机理。

图4 Langmuir模型实验数据的回归曲线

Freundlich吸附模型的回归曲线，如图5所示。由图5可见，Freundlich回归方程为lnq=2.4819lnC+2.4982，相关系数R2为0.7112。实验数据与Freundlich模型具有一定的相符，炼糖滤泥对滤汁色素的吸附更接近于多层吸附机理。在实验条件下，炼糖滤泥滤汁色素吸附的Freundlich等温线方程如下。

图5 Freundlich模型实验数据的回归曲线

5 结论

炼糖滤泥用于滤汁澄清，有明显的脱色能力，具有工业化的可行性。

在滤泥添加量达到1%之前，滤汁脱色率随滤泥添加量的增加而明显增长，之后脱色率随滤泥添加量的增加趋于平衡。

从糖厂经济效益看，添加滤泥越多带走的糖分越多。综合考虑，最适滤泥添加量为干泥对滤汁比为1%，滤汁脱色率可达80%。

滤泥对滤汁色素的吸附机理为多层吸附，可用Freundlich吸附等温线来描述，吸附等温线方程为

减少炼糖滤泥的处理费用，为糖厂带来经济效益。按照年处理甘蔗120万吨的两步法糖厂计算，吸滤汁比例为30%～35%，炼糖滤泥添加量1%，每年可减少3600～4200吨的炼糖滤泥排放。