蔗汁澄清工艺技术和设备存在问题及其更新应用效果

陆保祥 施灏 周谦 梁伟坚 黄雪超 兰能慧 韦学文 韦力文 蒙松

摘 要：澄清工序是甘蔗制糖生产的关键工艺，由于其操作过程的特殊性和对环境要求较高，一直以来均是制糖行业改革的难点。自20世纪80年代以来，我国多数糖厂澄清工序一直沿用传统的工艺和设备，存在澄清效率低、能耗高和操作环境差等问题。近几年来，随着制糖工艺的不断发展，糖厂澄清工序也在不断改革创新。在引进先进的澄清工艺技术和设备后，澄清工序的操作环境得到了较大改善，但澄清效率不高的问题依然存在。文章通过对国内外糖厂澄清工序工艺技术进行调研和分析，结合广西糖业集团达华制糖有限公司现有的生产工艺流程和设备条件，探讨甘蔗糖厂实施澄清工序提质增效的可行性，为提高制糖企业经济效益和社会效益及改革制糖行业的传统澄清工艺提供有益借鉴。

关键词：蔗汁；澄清工艺；技术引进；设备更新

中图分类号：S233.5                             文献标志码：A 文章编号：2095-820X（2023）06-0038-06

收稿日期：2023-10-02

通讯作者：施灏（1971-），男，高级工程师，主要从事制糖生产工艺技术应用研究工作，E-mail：shihaogx@163.com

第一作者：陆保祥（1974-），男，工程师，主要从事制糖生产工艺技术应用研究工作，E-mail：1492751521@qq.com

0 引言

我国是世界上采用甘蔗制糖技术最早的国家之一，已有2000多年历史［1］。甘蔗制糖技术是以甘蔗为主要原料，经压榨提汁、澄清、蒸发、结晶、筛分和干燥等工序将其制成白砂糖、红糖和赤砂糖等产品的过程。目前，国内约85%的糖厂采用运行成本较低的亚硫酸法生产工艺生产白砂糖，仅约15%的糖厂采用碳酸法生产白砂糖，用精制法生产优质白砂糖［2］。亚硫酸法生产的蔗糖质量较碳酸法差，亚硫酸法生产的白砂糖存在问题主要是色值和二氧化硫含量偏高，我国从2006年起执行的国家标准GB/T 317—2006《白砂糖》规定：一级白砂糖产品色值低于150 IU，残留二氧化硫含量不高于30.0 mg/kg；对饮料用糖的要求更严格，要求二氧化硫含量不高于15.0 mg/kg［3］。因此，亚硫酸法生产一级白砂糖产品面临严峻挑战，许多糖厂均将白砂糖一级品率和降低二氧化硫含量作为质量管理的首要目标［4］。同时，随着经济的发展和生活水平的提高，人们对健康、绿色、环保白砂糖的要求更高［1］。在制糖过程中，首先对甘蔗进行撕裂压榨和提取蔗汁，此过程由于蔗汁中含有较多非糖杂质，需进行澄清过滤处理才能获得达到工艺指标要求的澄清汁，以保障最终的白砂糖产品质量［5］。王健等［2］研究表明，在澄清工序中澄清过滤处理不好，会影响产品的品质、产品安全和糖分回收；进行澄清工序技术改进是解决我国糖厂亚硫酸法生产存在问题的有效措施，有利于推动我国制糖产业结构升级，增强市场竞争力。甘蔗糖厂澄清工序是制糖生产的关键工艺，需引进先进的自动化、智能化工艺设备来提高澄清效率，确保产品质量。制糖工艺技术的提升，是确保糖厂生产安全、稳定、高效运行的基础保证，更是保障制糖产品质量的关键［2］。

1 传统的澄清工艺及設备

亚硫酸法是生产白砂糖的传统方法，其中的澄清工序主要用于将经压榨提汁得到的蔗汁进行加热、中和（添加二氧化硫和氧化钙）及沉淀池沉降处理，得到清汁，其澄清工艺原理是利用石灰乳与亚硫酸和磷酸反应生成大量结构蓬松的亚硫酸钙和磷酸钙沉淀，这些沉淀物表面积较大，可吸附胶体杂质和色素，而二氧化硫与石灰乳反应生成带正电的亚硫酸钙，也具有很强的吸附力，能吸附凝聚非糖分的胶体粒子和色素，沉淀析出蔗汁中的非糖分杂质［1］。同时，二氧化硫对蔗汁还具有漂白脱色及抑制色素生成的作用，对蔗汁中的致色物质酚类和高价铁化合物具有还原作用，使色素颜色变浅；与单糖的醛基和酮进行反应，可减缓或避免美拉德反应，从而获得清净蔗汁［1］。亚硫酸法的澄清工艺较简单，设备相对轻便，生产成本较低，但存在中和汁pH不稳定、二氧化硫气体不稳定和磷酸添加量不稳定等问题，清净效率较低［5］，制糖品质未满足行业饮料食品色值低和二氧化硫含量低的要求。

1.1 中和汁pH和加热温度不稳定

制糖生产过程中，在高pH和高温条件下，蔗汁中的还原糖主要发生碱性分解和氨基酸美拉德反应，生成有机酸及很难被除去的有色物质，致使蔗汁色泽变深和蔗汁可溶性钙盐含量增加。此外，所生成的高分子物质还会增大蔗汁黏性，影响蔗汁沉降、过滤、蔗糖结晶及分蜜操作［6］。

1.2 二氧化硫气体不稳定

在澄清工序中，二氧化硫气体是由人工操作单层固定燃硫炉提供，而人工添加硫磺和人工调节风量会引起添加的硫磺时多时少，硫磺燃烧不稳定，产生的二氧化硫气流不均衡；同时，在榨蔗量波动的情况下，不稳定的二氧化硫气流量会引起中和汁pH波动较大，亚硫酸钙形成不良，沉降效果差，严重影响清汁质量。pH偏高的蔗汁在高温加热状态下其还原糖受到破坏较多，清汁色值增高［7］。

1.3 磷酸添加量不稳定

在蔗汁中加入适量的磷酸与预灰后的Ca（OH）2进行化学反应，使形成的絮状物磷酸钙沉淀于蔗汁底部，可达到吸附蔗汁中杂质的目的。在澄清工序中，传统工艺设备需通过人工将磷酸稀释于不锈钢桶后以定量泵输送，不能随着榨蔗量的变化自动调整添加量，会造成磷酸值不稳定。其中，磷酸值过高会造成沉降颗粒不结实，泥汁量大，影响沉降效果。

2 引进澄清工艺设备的应用效果

目前我国甘蔗糖厂无论是传统的自熔式燃硫炉（燃烧温度320～360 ℃）还是新型的汽化旋风燃硫炉（燃烧温度≤550 ℃）和喷雾式燃硫炉（燃烧温度800～1100 ℃），所配套的硫气处理设备均仅强调硫气冷却处理（间壁冷却装置），没有净化功能，无法避免硫气中夹带的硫蒸气、三氧化硫和灰分杂质等对制糖生产的影响。因此，如何实现硫气净化和冷却同步处理，已成为糖厂进行亚硫酸法澄清工艺提质增效的关键［8］。

2.1 引进工艺设备

针对蔗汁澄清传统工艺存在的问题，广西糖业集团达华制糖有限公司于2023年度引进先进的辅助材料添加加工系统技术：多次元精准配比低温燃硫炉系统技术（图1）、磷酸自控添加系统技术（图2）和高效石灰粉消和乳化系统技术（图3）等，以进一步稳定生成二氧化硫气体和提高其吸收率，以及提高磷酸添加量和石灰乳化质量。

采用引进的工艺设备，在操作过程中以低恒温燃烧硫磺所产生的硫气，直接与水接触进行同步换热冷却和净化处理，在不造成二氧化硫损失的前提下有效去除升华的硫、灰分和其他杂质，获得洁净硫气，并通过低温燃硫（燃烧温度控制在320～500 ℃）解决了升华硫堵塞和三氧化硫腐蚀问题［8］。采用引进的系统技术可通过无人值守和智能控制，有效调控石灰乳、二氧化硫气体和磷酸等辅助材料的添加，稳定中和硫熏强度、中和汁pH和磷酸值，最终提高澄清效率。

2.2 生产应用效果

广西糖业集团达华制糖有限公司于2023/2024年榨季采用引进的多次元精准配比低温燃硫炉系统技术、高效石灰粉消和乳化系统技术和磷酸自控添加系统技术后，生产的产品质量与引进前的2022/2023年榨季环比明显提高，白砂糖产品色值、二氧化硫、灰分、浑浊度和水不溶物含量等明显降低（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%，浑浊度降低27 MAU，水不溶物降低8.0 mg/kg。可见，应用引进澄清工序工艺设备产出的蔗汁澄清效果明显，白砂糖产品质量得到极大提升。

3 澄清工序存在问题及解决方法

虽然国内部分采用亚硫酸法的糖厂引进了低温燃硫炉系统技术、高效石灰粉消和乳化系统技术和磷酸自控添加系统技术，但澄清过滤设备（如新型机械澄清罐和过滤机）在生产过程中使用效果不很理想，澄清罐存在澄清槽空间狭小、蔗汁在通过澄清槽时容易发生堵塞和不易清洗引起的生产效率低、能耗高及运行成本高等问题。针对上述问题，一些糖厂对澄清工序进行了改进创新。例如，将传统的澄清设备改进为新型的澄清罐；在澄清槽底部增设一层由不锈钢滤网组成的粗滤系统；在粗滤系统内增加一层由不锈钢滤网组成的细滤系统；在细滤系统内增加一层由不锈钢滤网组成的滤泥系统。虽然这些措施对蔗汁的澄清效果不明显，但澄清设备已在一定程度上得到改进，操作环境得到改善［9］。此外，为了解决传统机械澄清设备本身存在结构复杂、制造成本高、易堵塞和维护费用高等导致机械澄清设备使用寿命较短问题，国内糖厂也对其进行了改进。本研究认为，引进和开发先进的蔗汁澄清工艺技术、设备及优化操作管理措施是提高白砂糖产品质量和生产效率的有效途径。

3.1 采用先进澄清工艺技术

采用相对落后的澄清工艺技术进行蔗汁澄清，由于澄清槽内液面高度低，出汁截面设计不够合理，难以将蔗汁完全澄清，易发生结皮现象；蔗汁中的各种成分含量较高，在澄清槽中会产生大量堵塞澄清槽过滤系统及在澄清罐底部形成积沉的絮状物，若不及时排走，会影响澄清效果。而先进的澄清工艺技术能有效提高澄清槽内液面高度，并分离蔗汁中的各种成分。例如，采用多层不锈钢滤网对蔗汁进行过滤，可使蔗汁中的絮状物在重力作用下沉积到底层；采用带有导流板的斜板将上层蔗汁和下层蔗汁进行分离；采用新型机械澄清罐代替传统机械澄清罐；采用澄清过滤机代替传统澄清过滤机等。这些工艺技术通过在槽体底部设置一层不锈钢滤网进行粗滤系统过滤和在槽体内安装多层不锈钢滤网进行细滤系统过滤，可将蔗汁中各种成分分离开来，有效去除蔗汁中的杂质。

3.2 采用节能澄清设备

国内现有的蔗汁澄清节能设备主要有旋转澄清罐、带搅拌器的澄清罐、螺旋过滤机和带压榨过滤机的澄清罐，其工作原理和结构大体相同，主要具有以下优点：一是澄清能力强，工作效率高；二是节能效果好，生产能耗约为其他澄清设备的30%～40%；三是占地面积小，在同等面积下可提高澄清槽容积50%～70%；四是操作方便，仅需启动电机即可自动完成整个操作过程；五是运行稳定可靠，且易于清洗［10］。目前国内有10多家糖厂使用上述澄清罐和过滤机，其中部分设备还配备有自动化控制系统。但从总体上看，这些设备的使用效果不理想，原因在于澄清罐和过滤机的澄清槽内空间狭小，且澄清槽的结构较复杂、制造成本高。

3.3 优化操作管理措施，提高生产效率

3.3.1 加强操作管理，控制好澄清槽内的温度和压力

由于澄清槽内温度较高会引起结皮沉积现象发生，因此，在操作过程中应密切关注澄清槽内的温度和压力变化情况，及时调整操作参数，避免结皮沉积现象发生。

3.3.2 及时清理槽体内部堵塞物

在生产过程中，澄清槽内经常会有杂质堆积，堆积的杂质较多时会导致槽体堵塞，造成生产效率降低。因此，应设计安装除渣器定期清理槽体内的沉积物。

3.3.3 控制好澄清槽液面高度

在生产过程中，澄清槽液面高度过高容易引起槽底结积，导致生产效率降低，因此，应合理控制澄清槽液面的高度。一般情况下，澄清槽液面高度控制在3 m左右；当出现结块现象时，应及时采取措施将澄清槽液面升高至正常高度。

3.4 开发应用新技术、新工艺和新设备

在澄清工序的工艺开发方面，采用新型机械澄清罐、高效澄清过滤机及相关配套生产技术和设备，对于提高澄清工序的工作效率、降低能耗和提高產品质量具有十分重要的意义。

3.4.1 开发新型机械澄清罐

国外糖厂一般采用水平式、倾斜式和垂直式等机械澄清罐作为主要澄清设备，我国糖厂主要使用倾斜式机械澄清罐。其中，水平式机械澄清罐适用于浓度较低的蔗汁澄清，倾斜式机械澄清罐适用于浓度较高的蔗汁澄清。倾斜式机械澄清罐的结构与水平式和垂直式澄清罐不同，不存在水平方向力。此外，倾斜式机械澄清罐在结构上更简单和紧凑，生产操作和维修较方便，且运行成本较低［11］。

3.4.2 开发高效澄清过滤机

国内糖厂使用的澄清过滤机有单锥型、单螺型和双锥型等，也采用多锥型澄清过滤机来处理含杂质较多的蔗汁。国内糖厂使用的传统机械澄清罐在设计上存在一定的缺陷，如体积大、容积小、结构复杂、制造成本高、易堵塞和清洗困难等，在实际使用过程中具有一定局限性。因此，糖厂需引进更先进的技术和设备来开发高效节能澄清过滤机，以改进传统机械澄清罐和澄清过滤机的缺陷，提高蔗汁澄清工作效率［12］。

3.5 加强管理，确保运行安全

3.5.1 合理控制澄清槽内的温度和流量

一般情况下，澄清槽温度控制在98～100 ℃、流量控制在80%，可保证澄清槽的清洁和正常运行。澄清槽流量过大和过小，均会引起澄清槽内出现过多絮状沉淀物，导致清洁次数增加，生产效率降低。

3.5.2 做好过滤机日常维护工作

具体要求：①及时清理过滤机压辊和压板上的残留物；②定期清理过滤机内部的残留物；③及时清理过滤机压辊和压板上的污垢；④定期更换过滤机压辊和压板上的滤芯；⑤定期检查和清洗过滤机内部的过滤器。

3.5.3 加强对蔗汁中杂质含量的监测

由于澄清槽在生产过程中容易出现堵塞问题，所以在操作过程中需加强对蔗汁中杂质含量的监测，确保蔗汁中杂质含量符合生产工艺要求。

综上所述，蔗汁澄清工作中不同的生产工艺、设备和运行管理各有特点，蔗汁质量受温度、固体含量和酸度等多种因素影响，所以在实际生产过程中要加强对蔗汁、澄清槽和过滤机的管理，通过监测、分析蔗汁质量及其中的水分和固体含量，及时调整操作参数和工艺参数。

4 澄清工艺技术的发展趋势

根据澄清工序在制糖生产中所处的地位和作用及制糖行业的发展趋势，制糖行业应重视发展澄清工艺技术和提高操作人员素质。一方面，要加快传统澄清工序工艺技术和设备的改造升级，使其更好地适应新时代下甘蔗制糖行业发展的需求；另一方面，要积极引进先进、高效、节能和环保的澄清工艺和设备，同时，自主创新澄清工序的工艺技术和设备，提升操作人员素质，推动制糖产业转型升级改善澄清工序操作环境。

4.1 甘蔗制糖技术的创新

我国自20世纪80年代开始引进国外先进的蔗糖生产工艺技术和设备，在此基础上，我国制糖行业逐渐形成了以引进、吸收和消化再创新为特征的自主创新模式［13］。随着制糖业市场需求的不断变化和制糖技术的不断革新发展，我国自20世纪90年代至今形成了以“澄清—蒸发—结晶—分离”为主要特征的工艺技术和设备，生产能力、生产效率和经济效益也随着甘蔗制糖行业规模的不断扩大得到大幅提升。因此，不断加强对制糖业工艺技术和设备的研究、开发和创新力度，对促进我国甘蔗制糖业健康可持续快速发展意义重大。

4.2 糖厂澄清工序工艺技术和设备的更新

糖厂澄清工序工艺设备更新主要体现在对传统的澄清工序工艺技术和设备进行改造和升级方面［14］。其中，改造和升级传统澄清工序的工艺技术，有利于提高清净效率，提高生产效率和白砂糖产品质量；澄清工序工艺设备改造更新是制糖行业发展的必然趋势。首先，通过引进、自主研发技术和设备提高制糖行业的生产效率，使企业可更好地应对市场竞争并保持市场优势地位；其次，通过引进、自主研发技术和设备也能提高制糖行业的整体竞争力。因此，糖厂要想在制糖行业竞争中保持优势地位和促进自身发展，就必须加快传统澄清工艺技术与设备的改造升级步伐，为制糖行业可持续发展提供技术保障。

5 结语

在制糖行业改革不断深入的背景下，甘蔗制糖企业应根据自身生实际和市场需求，对传统制糖工艺进行改革和创新，引进并自主创新先进的蔗汁澄清技术和设备。糖厂通过引进创新项目，改善澄清工序操作环境，提高生产效率，降低能耗，提高产品质量，从而促进企业经济效益和社会效益提高，为制糖行业改革提供有益借鉴。

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（责任编辑 思利华）