制糖澄清工藝pH值對質(zhì)量和收回的影響初探

李章國，肖金強(qiáng)，趙星成

(滄源南華勐省糖業(yè)有限公司，云南勐省 677408)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以后，我國制糖工業(yè)的規(guī)模得到了很大的發(fā)展，其發(fā)展的區(qū)域也發(fā)生了根本性的改變，由20世紀(jì)的沿海地區(qū)逐步向欠發(fā)達(dá)地區(qū)擴(kuò)展。制糖行業(yè)是個傳統(tǒng)行業(yè)，近年來由于投入不足，導(dǎo)致我國制糖工業(yè)在科學(xué)技術(shù)進(jìn)步方面較為緩慢，雖然也有一些技術(shù)改造及變革，但總體工藝技術(shù)的科技進(jìn)步落后于其他行業(yè)[1-3]。

制糖工業(yè)是傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品加工工業(yè)，過程中多種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)是制糖工藝的基礎(chǔ)，要提高產(chǎn)品質(zhì)量和收回，必須是在工藝處理過程中徹底地除去雜質(zhì)，達(dá)到提高澄清效率和提高純度的目的。而目前傳統(tǒng)的亞硫酸法，生產(chǎn)的白砂糖質(zhì)量偏低，含色素及有機(jī)物偏高，貯存時白砂糖容易變黃和吸濕，含有較多的SO2，不溶性物質(zhì)也偏高；清凈效率不夠理想，除去非糖分不多，即工藝過程中各種雜質(zhì)的處理難度較大[4-8]。

多年來，云南的制糖企業(yè)一直受到產(chǎn)品質(zhì)量的困擾，生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量難以滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求和客戶不斷提高的質(zhì)量要求，優(yōu)一級品率低，二級糖品率多，白砂糖色值、濁度、殘留SO2高等。產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系到企業(yè)的生存與發(fā)展，提高產(chǎn)品質(zhì)量是保證企業(yè)占有市場，從而能夠持續(xù)經(jīng)營的重要手段。因此，注重產(chǎn)品的質(zhì)量問題，也是云南的制糖企業(yè)必須考慮的問題[9]。

云南地處山區(qū)，受氣候、海拔和甘蔗特性影響較大；不同時期、不同品種、不同區(qū)域的甘蔗的處理工藝特性不同，因此每一個榨季的工藝處理措施、工藝控制指標(biāo)都要求根據(jù)不同時期進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，才能確保產(chǎn)品質(zhì)量和收回。而傳統(tǒng)的亞硫酸法工藝控制標(biāo)準(zhǔn)已不適用于云南現(xiàn)代的甘蔗制糖生產(chǎn)工藝，只有不斷改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，提高白砂糖質(zhì)量，探索出一條適合于云南現(xiàn)代甘蔗制糖的工藝路線，制糖企業(yè)才能在競爭大潮中站穩(wěn)腳跟。

本文旨在探索高硫高灰工藝即調(diào)整生產(chǎn)工藝的pH值在云南制糖企業(yè)的應(yīng)用效果，以期為云南制糖工藝的發(fā)展、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提升探索出一條新的工藝路線，為云南制糖企業(yè)提供參考。

1 勐省糖業(yè)公司工藝指標(biāo)

勐省糖業(yè)公司的工藝處理情況為：生產(chǎn)前期，化輔料消耗低，pH值較高，一般控制在7.6～7.8左右。隨著生產(chǎn)的推進(jìn)，需要適當(dāng)增大化輔料的添加量，同時適當(dāng)降低pH值，約在7.3左右，以確保蔗汁清凈工藝處理徹底，滿足澄清效率和清混汁純度差的生產(chǎn)指標(biāo)。同時結(jié)合煮糖技術(shù)要求，為確保收回降低廢蜜損失，在清汁pH值較高的情況下，需對蒸發(fā)糖漿進(jìn)行二次硫熏，使其pH值降低至6.0～6.8，確保煮糖糖漿的黏度指標(biāo)，以利于結(jié)晶。清凈車間工藝控制參數(shù)具體見表1。

表1 清凈車間工藝控制參數(shù)表

公司多年來一直使用該工藝指標(biāo)，也曾試過中性煮糖，即糖漿pH值在7.0以上煮糖，但由于影響收回而放棄。

從表1可以看出，隨著生產(chǎn)進(jìn)程的需要，硫熏強(qiáng)度、磷酸添加量增加，pH值逐步降低，生產(chǎn)過程中針對實際情況可進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，工藝控制拐點在3月份，不同的年度前后相差10天左右。該工藝參數(shù)主要存在問題是：生產(chǎn)中后期產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，優(yōu)一級品率降低。

2020/21年榨季生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)目標(biāo)按計劃進(jìn)行，到了3月中旬，產(chǎn)品質(zhì)量開始波動，前期使用的工藝指標(biāo)無法滿足生產(chǎn)要求，產(chǎn)品色值和濁度上升，煮糖和分蜜困難。按照以往的經(jīng)驗，對工藝控制指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，即適當(dāng)提高硫熏強(qiáng)度，提高磷酸量，降低pH值到7.3左右，調(diào)整后產(chǎn)品色值反而逐步上升，質(zhì)量不見好轉(zhuǎn)，反而越來越差。后經(jīng)過多次工藝查定及試驗，并進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)控制指標(biāo)與過去相比有較大差距。生產(chǎn)過程中必須提高中和pH值及清汁pH值，并適當(dāng)提高硫熏強(qiáng)度，沉降效果及清汁質(zhì)量才明顯好轉(zhuǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量才能保證。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)提高清汁pH值以后，清汁與混合汁的簡純度差提高，蒸發(fā)糖漿與清汁的簡純度差不降反升，即正差值升高，煮糖效果明顯好轉(zhuǎn)，收回明顯提高。實際工藝控制指標(biāo)見表2。

表2 2020/21年榨季實際清凈工段工藝控制指標(biāo)

2 工藝試驗

由于氣候和甘蔗品種、品質(zhì)的原因，公司的工藝控制情況、控制指標(biāo)在每年的2月底至3月初將出現(xiàn)拐點，需重新進(jìn)行調(diào)整，2021年3月2日開始，產(chǎn)品質(zhì)量、收回開始逐步波動，按照常規(guī)工藝進(jìn)行調(diào)整后效果反而越來越差。后來通過多次的生產(chǎn)試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，需采用提高中和硫熏強(qiáng)度、大幅度提高中和pH值等措施才能確保產(chǎn)品質(zhì)量，同時也提高了收回，即高灰后由于清混汁簡純度差的提高，使得收回上升。試驗結(jié)果情況總結(jié)如下：

2.1 固定硫熏強(qiáng)度為30 mg/L，調(diào)試pH值(6.8～7.8)對工藝的影響。

2021年4月10日從生產(chǎn)線采集混合汁集合樣進(jìn)行中和汁沉降實驗。其中混合汁集合樣的錘度為17.72°Bx，簡純度為81.4%，pH值為6.61，重力純度為88.27%，還原糖含量為0.67%，磷酸值為477 mg/kg。在固定中和汁硫熏強(qiáng)度為30 mg/L、初始磷酸值為500 mg/kg的基礎(chǔ)上，通過調(diào)試中和汁pH值(6.8～7.8)檢測清汁的工藝指標(biāo)，試驗結(jié)果見表3，試驗對比情況見圖1。試驗樣品為在生產(chǎn)過程中調(diào)整工藝指標(biāo)后取樣品，在化驗室按照《甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法》[10]相關(guān)檢測方法進(jìn)行分析，試驗樣品與生產(chǎn)實際情況相符。

表3 固定硫熏強(qiáng)度為30 mg/L，調(diào)試pH值(6.8～7.8)對工藝的影響試驗結(jié)果

圖1 固定硫熏強(qiáng)度，調(diào)試pH值情況對比

2.1.1 pH值和簡純度

從表3可以看出，pH值越高，清汁簡純度和重力純度越高，清混汁簡純度差越大，其純度差值隨pH值的降低呈逐步下降趨勢。即中和汁pH值為7.8，清汁pH值為8.24時，清混汁簡純度差達(dá)到5.31%；中和pH值為6.8，清汁pH值7.0時，清混汁簡純度差僅為1.29%。

2.1.2 色值和濁度

從表3可以看出，pH值越低，色值和濁度越低，即中和汁pH值為7.8時，清汁的色值和濁度分別為688 IU和256 MAU；中和汁pH值為6.8時，清汁的色值和濁度分別為472 IU和40 MAU。該工藝試驗高pH值(7.8)的結(jié)果與生產(chǎn)實際情況相同，但低pH值的結(jié)果與實際生產(chǎn)情況不一致，即實際生產(chǎn)過程中低pH條件下產(chǎn)品的色值很高。

2.1.3 沉降速度和泥角高度

從表3和圖1可以發(fā)現(xiàn)，pH值越高，沉降速度越快，泥角量越少，沉降速度隨pH值的降低而減慢，泥角量隨pH值的降低而升高。即中和汁pH值為7.8時，清汁的沉降速度為6′16″/250 mL，泥角高度為8.5 cm；中和汁pH值為6.8時，清汁的沉降速度為15′6″/250 mL，泥角高度為11 cm。

2.1.4 過濾速度

pH值越高過濾速度越慢，pH值越低過濾速度越快。當(dāng)中和汁pH值為7.8時，清汁過濾速度為1′20″/50 mL；當(dāng)中和汁pH值為6.8時，清汁過濾速度為25″/50 mL。

2.1.5 還原糖

pH值高時蔗糖有分解現(xiàn)象(即降低)，pH值低時蔗糖有轉(zhuǎn)化現(xiàn)象(低于7.2)，當(dāng)中和汁pH值為6.8時，清汁還原糖為0.75%，蔗糖轉(zhuǎn)化嚴(yán)重。

2.2 固定pH值為7.8，調(diào)試硫熏強(qiáng)度(25～35 mg/L)對工藝的影響

2021年4月13日從生產(chǎn)線采集混合汁集合樣進(jìn)行中和汁沉降實驗。其中混合汁集合樣的錘度為17.71°Bx，簡純度為82.71%，pH值為6.72，重力純度為84.32%，還原糖含量為0.86%，磷酸值為383 mg/kg。在固定pH值為7.8、初始磷酸值為500 mg/kg的基礎(chǔ)上，通過調(diào)試硫熏強(qiáng)度(25～35 mg/L)檢測清汁的工藝指標(biāo)，試驗結(jié)果見表4，試驗對比情況見圖2。試驗樣品為在生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)整工藝指標(biāo)控制后取樣品，在化驗室按照《甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法》[10]相關(guān)檢測方法進(jìn)行分析，試驗樣品與生產(chǎn)實際情況相符。

表4 固定pH值為7.8，調(diào)試硫熏強(qiáng)度(25～35 mg/L)對工藝的影響試驗結(jié)果

從表4可以看出，在固定pH值為7.8的情況下，中和汁的硫熏強(qiáng)度越高，清汁的pH值越高，清汁的簡純度和重力純度也相應(yīng)的升高。當(dāng)中和汁硫熏強(qiáng)度分別為25和30 mg/L時，清汁簡純度分別為80.76%和81.66%，均小于混合汁的簡純度(82.71%)；中和汁硫熏強(qiáng)度為35 mg/L時，清汁簡純度為83.14%，大于混合汁的簡純度(82.71%)。說明中和汁的硫熏強(qiáng)度越高，對中和反應(yīng)效果也越明顯。結(jié)合表4和圖2可以發(fā)現(xiàn)，沉降速度隨著硫熏強(qiáng)度的升高而加快，泥角量也相應(yīng)的減少，過濾速度雖然也有一定程度的下降但差異不大，說明硫熏強(qiáng)度越高，化學(xué)反應(yīng)越徹底。根據(jù)清汁還原糖、混合汁還原糖以及清混汁還原糖差的數(shù)據(jù)來看，中和汁硫熏強(qiáng)度分別為25和30 mg/L時，蔗糖有轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，中和汁硫熏強(qiáng)度為35 mg/L時，清混汁還原糖差較小為0.01%，即蔗糖不發(fā)生轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)實際情況與工藝試驗結(jié)果一致。

圖2 固定pH值，調(diào)試硫熏強(qiáng)度情況對比

結(jié)合以上2個工藝試驗的研究以及生產(chǎn)實際情況可以得出：①高灰高硫工藝有利于提高清混汁簡純度差，混合汁純度不變的情況下，如果清汁簡純度提高1個百分點，產(chǎn)糖率可以提高0.125%，即高pH值對收回有利；②高pH值條件下，蒸發(fā)過程中不發(fā)生糖漿純度降低現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)糖漿簡純度比清汁簡純度增加0.5%左右的情況；③雖然工藝試驗過程中高pH值條件下清汁的色值升高，但實際生產(chǎn)過程中雜質(zhì)處理徹底后，產(chǎn)品的色值降低；④高pH值條件下存在還原糖分解現(xiàn)象，低pH值條件下存在還原糖轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，但高pH值時還原糖的分解影響不大，即美拉德反應(yīng)的存在不影響產(chǎn)品質(zhì)量。結(jié)果表明：高灰高硫工藝對公司2020/21年榨季生產(chǎn)中產(chǎn)糖率的提高起到了重要的作用。

3 生產(chǎn)實踐分析

2020/21年榨季由于生產(chǎn)的特殊性，使得工藝控制情況與往年相比有大幅度的改變，通過將近3個月的生產(chǎn)實踐總結(jié)分析高pH值控制工藝，為公司2020/21年榨季各項目標(biāo)計劃的完成，特別是對產(chǎn)糖率、優(yōu)一級品率、高品質(zhì)糖起到了至關(guān)重要的作用。

3.1 清汁與混合汁的簡純度差

2020/21年榨季生產(chǎn)過程中1～2月份使用常規(guī)工藝，自3月10日起調(diào)整工藝，pH控制在7.8～8.0之間，硫熏強(qiáng)度控制在30～32 mg/L之間，清汁與混合汁簡純度差變化情況見表5。1、2月份使用常規(guī)工藝的清汁與混合汁簡純度差分別為2.13%、2.21%，3月份調(diào)整工藝指標(biāo)以后，3、4、5月份清汁與混合汁簡純度差依次為2.59%、2.77%、2.88%。即高pH值條件下，清混汁簡純度差明顯增大。

表5 清汁與混合汁的簡純度差

3.2 粗糖漿與清汁的簡純度差

粗糖漿與清汁的簡純度差變化情況見表6。在1～2月份的生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)工段粗糖漿簡純度下降的情況，經(jīng)過多方面查找原因，均未發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常現(xiàn)象，且近幾年來基本都沒有出現(xiàn)粗糖漿簡純度下降的情況。自3月份工藝調(diào)整后，粗糖漿簡純度下降的情況得到緩解，截至5月份，pH值控制在8.0～8.2之間，蒸發(fā)工段粗糖漿簡純度不但不下降反而升高，即粗糖漿與清汁的簡純度差為正值。

表6 粗糖漿與清汁的簡純度差

3.3 產(chǎn)品質(zhì)量分析

多年來，公司的產(chǎn)品質(zhì)量是1～2月份穩(wěn)定，優(yōu)一級品率較高，高品質(zhì)糖的生產(chǎn)在1～2月份，自3月份起，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，色值上升，邊沿糖和二級糖增多。產(chǎn)品質(zhì)量的波動大，導(dǎo)致生產(chǎn)壓力大，一定程度上影響了收回。2018/19～ 2020/21年榨季的產(chǎn)品質(zhì)量對比見表7。

表7 產(chǎn)品質(zhì)量對比

從表7的對比可以看出，2020/21年榨季完成的優(yōu)一級品率為近3年最佳也是歷史最佳，如果做好榨季收尾糖則可以完成99%，高品質(zhì)率同樣得到了大幅度提升。在2月底至3月初的工藝波動，優(yōu)一級品率及高品質(zhì)率有一定程度的降低。工藝改進(jìn)以后，4月份完成優(yōu)一級品率100%且高品質(zhì)率51.21%，創(chuàng)造了歷史最佳成績。

3.4 廢蜜量及廢蜜重力純度分析

在廢蜜形成的各項因素中，最重要的是無機(jī)鹽，特別是鉀、鈉鹽；最主要的物理因素是不純糖液的黏度，黏度則是有機(jī)膠體和某些鹽類物質(zhì)。公司的蔗區(qū)中土壤的檢測報告(檢測土壤為配方肥料實施)發(fā)現(xiàn)土壤中含有較高的鉀含量，由此可推斷甘蔗中的鉀等無機(jī)鹽的含量較高，同時由于是山地蔗，2～4月份干旱嚴(yán)重，導(dǎo)致生產(chǎn)中、后期膠體物質(zhì)增加，如果處理不徹底將會導(dǎo)致廢蜜量高，損失加大。

結(jié)合煮糖工藝要求，為確保收回及降低廢蜜損失，在清汁pH值較高的情況下，需對糖漿進(jìn)行二次硫熏，使糖漿pH值降低至6.0～6.8，以利于煮糖收回。2018/19～2020/21年榨季的廢蜜指標(biāo)完成情況見表8。2020/21年榨季由于對工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，廢蜜與蔗比、廢蜜與糖比、廢蜜重力純度、廢蜜損失與前2個榨季相比均出現(xiàn)了一定程度的下降，產(chǎn)糖率得到了提升，說明高灰高硫工藝對增加收回起到了很好的作用。

表8 近3年廢蜜及其指標(biāo)完成情況

3.5 化輔料消耗與收回情況對比分析

由于生產(chǎn)工藝的改變導(dǎo)致化輔料消耗增加，為加強(qiáng)成本核算，需在收回、產(chǎn)品質(zhì)量和化輔料消耗中找到最佳的平衡點，既要確保產(chǎn)糖目標(biāo)穩(wěn)步提高，同時又要控制成本。當(dāng)硫熏強(qiáng)度增加后，每噸蔗硫磺耗用量增加0.025 kg；按照1816.28元/t計，即每噸蔗增加硫磺費(fèi)用為0.45元；當(dāng)pH提高后石灰耗用量為每噸蔗增加0.90 kg，按照均價795.0元/t計，每噸蔗增加石灰費(fèi)用為0.072元；合計增加費(fèi)用為每噸蔗0.522元，即100 t蔗合計52.2元。但由于簡純度提高1.5%(實際情況高于1.5%)，收回上升，按照簡純度每提升1個百分點則提高產(chǎn)糖率0.125%計，可增加產(chǎn)糖率0.019%，噸糖均價為5200元/t，增加收益為98.8元。扣除化輔料消耗費(fèi)用，工藝改進(jìn)以后增加收益46.60元/t。化輔料消耗的成本低于收益的增加，且上述的簡單測算不包含產(chǎn)品質(zhì)量提高后帶來的溢價的產(chǎn)品收益(勐省“滄”牌的市場溢價目標(biāo)50元/t)，即2020/21年榨季由于工藝控制方式的改變，使得生產(chǎn)無形損失減少，收回提高，為榨季最終取得的質(zhì)量目標(biāo)起到了重要的作用。

5 結(jié)論

近年來通過多次實驗與實踐探索，滄源南華勐省糖業(yè)有限公司于2020/21年榨季3月份起不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝，使用高硫高灰工藝以后取得明顯效果。生產(chǎn)實踐中清混汁簡純度差明顯增大，粗糖漿與清汁的簡純度差為正值，產(chǎn)品的優(yōu)一級品率和高品質(zhì)率創(chuàng)造了歷史最佳成績。廢蜜與蔗比、廢蜜與糖比、廢蜜重力純度、廢蜜損失與前2個榨季相比均出現(xiàn)了一定程度的下降，產(chǎn)糖率得到了提升。工藝控制方式的改變，使得生產(chǎn)無形損失減少，收益增加，收回提高，為榨季最終取得的質(zhì)量目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益起到了重要的作用。