多晶體冰糖高效結(jié)晶智能管理系統(tǒng)的應(yīng)用

蔡鐵華

(南京甘汁園糖業(yè)有限公司，江蘇南京 211100)

0 引言

多晶體冰糖是白砂糖的結(jié)晶再制品，其結(jié)晶體形如冰狀，故取名為冰糖。多晶體冰糖又稱(chēng)老冰糖、土冰糖、塊冰糖等[1]，多晶體冰糖品質(zhì)純正，是我國(guó)消費(fèi)者喜愛(ài)的食糖產(chǎn)品之一。同時(shí)中醫(yī)認(rèn)為多晶體冰糖具有潤(rùn)肺、止咳、清痰的作用，也是制作民間食品的重要原料[2]。多晶體冰糖生產(chǎn)工藝是以白砂糖為原料，依次經(jīng)過(guò)溶糖、煮糖、結(jié)晶、控液、粉碎及烘干等工序[3]。多晶體冰糖結(jié)晶率的高低受生產(chǎn)管理影響較大，溶糖錘度、熬糖溫度和時(shí)間、結(jié)晶溫度和時(shí)間等對(duì)結(jié)晶率影響都較大，傳統(tǒng)多晶體冰糖廠(chǎng)因自動(dòng)化程度低，自然冷卻結(jié)晶溫控不穩(wěn)定，因此傳統(tǒng)冰糖廠(chǎng)多晶冰糖的結(jié)晶率高低對(duì)生產(chǎn)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)要求很高，經(jīng)驗(yàn)不足的冰糖廠(chǎng)結(jié)晶率甚至低于50%，經(jīng)驗(yàn)好的冰糖廠(chǎng)一水結(jié)晶率可達(dá)60%以上。本文通過(guò)對(duì)多晶體冰糖結(jié)晶房的改造及多晶體冰糖高效結(jié)晶智能管理系統(tǒng)的應(yīng)用，以期提高多晶體冰糖結(jié)晶率，提高經(jīng)濟(jì)效益，為現(xiàn)代化冰糖生產(chǎn)企業(yè)提供參考。

1 過(guò)飽和度對(duì)多晶體冰糖結(jié)晶的影響

蔗糖溶液結(jié)晶通常分為：增濃、調(diào)溫、降壓、刺激、誘發(fā)和投種6種方法[4]，在多晶體冰糖生產(chǎn)中糖溶液結(jié)晶大部分使用“降溫”法，糖漿溶液“降溫”結(jié)晶是糖漿溶液在大氣中自然降溫使糖漿飽和度不斷增加，當(dāng)糖漿飽和度超過(guò)介穩(wěn)區(qū)時(shí)糖漿自然起晶。在生產(chǎn)多晶體冰糖過(guò)程中通過(guò)不斷的探索結(jié)合蔗糖結(jié)晶理論，發(fā)現(xiàn)多晶體冰糖結(jié)晶與過(guò)飽和度、環(huán)境溫度有密切關(guān)系。過(guò)飽和度是指在某一溫度下蔗糖溶液內(nèi)一份水所溶解的蔗糖量與該溫度下飽和純蔗糖溶液中一份水所溶解的蔗糖比值。根據(jù)其過(guò)飽和系數(shù)的不同，蔗糖溶液可分為4個(gè)區(qū)，即溶晶區(qū)、介穩(wěn)區(qū)、中間區(qū)和易變區(qū)。溶晶區(qū)是指過(guò)飽和系數(shù)小于1.0時(shí)，晶體只能溶解不能長(zhǎng)大；介穩(wěn)區(qū)是指過(guò)飽和系數(shù)為1.0～1.2時(shí)，不能自然生成新的晶核，但可以使已存在的晶核長(zhǎng)大；中間區(qū)是指過(guò)飽和系數(shù)在1.2～1.3時(shí)，不僅使已存在的晶核能夠長(zhǎng)大，當(dāng)溶液受到外界的刺激時(shí)，還能產(chǎn)生少量新的晶核；易變區(qū)是指過(guò)飽和系數(shù)大于1.3時(shí)，能自然起晶，晶核大量的生長(zhǎng)[5]。根據(jù)蔗糖結(jié)晶理論，糖液起晶時(shí)要控制好不同的過(guò)飽和度，糖漿過(guò)飽和度過(guò)低或過(guò)高都不利于結(jié)晶，當(dāng)糖液過(guò)飽和度在1.0～1.2時(shí)糖液處于介穩(wěn)區(qū)不能自然結(jié)晶[6]，但如果溶糖不徹底會(huì)使已有的晶核長(zhǎng)大；如果糖液過(guò)飽和度過(guò)高則容易結(jié)晶但得到的多晶體冰糖晶體細(xì)小，不符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，首先是糖液過(guò)飽和系數(shù)要大于1.3，即控制在易變區(qū)，使其自然起晶，起晶后糖液過(guò)飽和濃度降低至中間介穩(wěn)區(qū)使晶體長(zhǎng)大，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)晶過(guò)程。

2 結(jié)晶房溫度對(duì)結(jié)晶的影響

過(guò)飽和糖漿煮制到82～84°Bx時(shí)，通過(guò)糖漿管路向結(jié)晶盆注入糖漿，糖漿在結(jié)晶房靜置7天左右。第一、二天結(jié)晶房溫度控制在70～80℃之間；第三天控制在60℃左右；第四天控制在50℃左右；第五天控制在40℃左右；第六、七天降至常溫。根據(jù)蔗糖結(jié)晶工藝?yán)碚揫6]可知：溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響，主要是改變了反應(yīng)速度常數(shù)，它是在指定的溫度下反應(yīng)物的濃度均為一單位濃度時(shí)的反應(yīng)速度。結(jié)晶速度為：

式中：K—結(jié)晶速度；

T—絕對(duì)溫度；

C—過(guò)飽和糖液濃度；

C0—糖液飽和濃度；

d—境膜厚度；

?—介質(zhì)粘度；

k′—與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)。

從式(1)中可知，結(jié)晶速度與溫度成正相關(guān)。多晶體冰糖在結(jié)晶過(guò)程中，第一、二天結(jié)晶房溫度宜控制在70～80℃之間，使過(guò)飽和糖液遇冷起晶，溫度高于80℃或低于70℃都對(duì)結(jié)晶不利。溫度高于80℃，飽和系數(shù)低，無(wú)法自然起晶；溫度低于70℃，過(guò)飽和系數(shù)高，容易產(chǎn)生細(xì)小晶體，不符合多晶體冰糖的質(zhì)量要求。第三天開(kāi)始，通過(guò)控制結(jié)晶房溫度變化，使糖漿過(guò)飽和度保持在1.2～1.3之間。

傳統(tǒng)多晶體冰糖廠(chǎng)的糖漿煮制一般是在常壓下進(jìn)行，也有用真空煮糖設(shè)備煮制糖漿，但真空煮糖設(shè)備投資較大，技術(shù)要求高，節(jié)能效果明顯。常壓煮糖投資少，技術(shù)要求不高，被多數(shù)傳統(tǒng)多晶體冰糖廠(chǎng)采用。要生產(chǎn)出合格的多晶體冰糖，其糖漿溫度往往控制在112～120℃之間，而白砂糖經(jīng)溶解后其pH值呈中性或弱酸性，在高溫狀態(tài)下能快速轉(zhuǎn)化為還原糖，還原糖增加，則糖漿的蔗糖純度降低，結(jié)晶率也相應(yīng)的降低。糖漿在不同溫度、pH值下每小時(shí)轉(zhuǎn)化糖分百分率如表1所示。

表1 糖漿在不同溫度、pH值下每小時(shí)轉(zhuǎn)化糖分百分率

多晶體冰糖結(jié)晶是非線(xiàn)性降溫過(guò)程，前期需要快速降低溫度使糖漿自然起晶，當(dāng)糖漿在結(jié)晶盤(pán)產(chǎn)生晶體后，降溫速率降低，使糖漿過(guò)飽和度保持在1.2～1.3之間有利于冰糖晶體長(zhǎng)大，適當(dāng)?shù)亟档吞菨{溫度能減少糖分轉(zhuǎn)化的速率，提高了糖漿的純度，有利于糖的結(jié)晶。降溫速率過(guò)快，糖漿過(guò)飽和度高，容易結(jié)出小顆粒晶體，不符合產(chǎn)品要求；降溫速率過(guò)慢，糖漿過(guò)飽和度不夠，同時(shí)糖在高溫作用下快速轉(zhuǎn)化為還原糖，影響多晶體冰糖結(jié)晶率。

3 智能管理系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)采用的PLC可編程控制器是以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置。它把傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，具有高可靠性、靈活性、易于編程、使用方便等特點(diǎn)。PLC采用循環(huán)掃描工作方式，用戶(hù)程序按工作先后順序存放，CPU從第一條指令程序開(kāi)始執(zhí)行直到結(jié)束指令程序后重新執(zhí)行第一條指令，周而復(fù)始地不斷循環(huán)[7](圖1)。

圖1 PLC可編程控制器

PLC可編程控制器可靠性高，外不接線(xiàn)，大量的電子元器件都集成在控制器內(nèi)，同時(shí)系統(tǒng)維修簡(jiǎn)單。PLC可編程控制器采用工業(yè)級(jí)別的可靠性設(shè)計(jì)，設(shè)有故障診斷、報(bào)警及信息保護(hù)恢復(fù)功能，具有體積小、多功能、抗干擾、性能好等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 結(jié)晶房改造

根據(jù)蔗糖結(jié)晶理論，通過(guò)對(duì)可能影響多晶體冰糖的各參數(shù)的理解，對(duì)結(jié)晶房進(jìn)行如下改造：①增加了干燥送風(fēng)系統(tǒng)；②增加了抽濕系統(tǒng)；③增加了結(jié)晶房溫度檢測(cè)系統(tǒng)。其房間布局如圖2所示。

圖2 結(jié)晶房布局

可調(diào)溫干燥熱風(fēng)通過(guò)管道送到結(jié)晶房，熱風(fēng)出口設(shè)在結(jié)晶房的下半部分，為使熱風(fēng)能均勻到達(dá)結(jié)晶房不同部位，熱風(fēng)出口采用多點(diǎn)分布式設(shè)計(jì)，結(jié)晶房需要調(diào)節(jié)溫度時(shí)送入干燥熱風(fēng)。在結(jié)晶房的上方設(shè)有多點(diǎn)分布抽濕系統(tǒng)，濕度傳感器安裝在中部上方。溫度傳感器安裝在結(jié)晶房的左右兩側(cè)及后方，高度在結(jié)晶盤(pán)上方1 m左右。

3.3 智能管理系統(tǒng)

根據(jù)市場(chǎng)和客戶(hù)對(duì)多晶體冰糖的晶體質(zhì)量要求，通過(guò)檢測(cè)糖漿的純度、錘度、pH值等數(shù)據(jù)，把多晶體冰糖結(jié)晶全過(guò)程控制參數(shù)通過(guò)顯示觸摸屏輸入到PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。PLC根據(jù)用戶(hù)程序先后掃描結(jié)晶房?jī)?nèi)各點(diǎn)的溫度、濕度參數(shù)與設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)到某點(diǎn)結(jié)晶房?jī)?nèi)溫度低于設(shè)定值時(shí)，開(kāi)啟可調(diào)溫干燥熱風(fēng)系統(tǒng)，并把熱風(fēng)送入結(jié)晶房?jī)?nèi)溫度低的區(qū)域。但多晶體冰糖結(jié)晶房的溫、濕度變化調(diào)整是一個(gè)大滯后模式，受環(huán)境、結(jié)晶盆堆放高度及密度等因素影響，沒(méi)有規(guī)律可循。根據(jù)檢測(cè)儀表報(bào)警進(jìn)行人工管理，使用PID控制管理等模式都滿(mǎn)足不了其需要。在總結(jié)多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，管理系統(tǒng)試用模糊算法對(duì)各參數(shù)進(jìn)行管理取得較好的效果。管理系統(tǒng)根據(jù)過(guò)飽和度與溫度、結(jié)晶速度與溫度、蔗糖在不同溫度糖分每小時(shí)轉(zhuǎn)化為還原糖百分率等參數(shù)的運(yùn)算，減少糖漿在高溫區(qū)的停留時(shí)間；根據(jù)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度升溫速率的變化，適時(shí)調(diào)整各點(diǎn)熱風(fēng)送入量。當(dāng)結(jié)晶房溫度高于設(shè)定值時(shí)，開(kāi)啟抽濕系統(tǒng)降低結(jié)晶房溫度。

結(jié)晶房?jī)?nèi)濕度的管理是提高結(jié)晶率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)濕度檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到結(jié)晶房?jī)?nèi)濕度大于設(shè)定值時(shí)，智能管理系統(tǒng)開(kāi)啟抽濕系統(tǒng)，把室內(nèi)空氣抽出，同時(shí)開(kāi)啟可調(diào)溫干燥熱風(fēng)系統(tǒng)，送入溫度合適的干燥熱風(fēng)，降低結(jié)晶房?jī)?nèi)的濕度。由于多晶體冰糖結(jié)晶時(shí)是把結(jié)晶盆層疊擺放，結(jié)晶房?jī)?nèi)濕度高時(shí)，水蒸汽在結(jié)晶盆底會(huì)凝聚成水滴，回滴到糖漿內(nèi)影響結(jié)晶。結(jié)晶房合適的濕度有利于糖漿水分的揮發(fā)，根據(jù)糖廠(chǎng)的測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶房?jī)?nèi)濕度控制在70%～80%之間較好。多晶體冰糖智能管理系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 智能管理系統(tǒng)框架

通過(guò)多晶體冰糖結(jié)晶房的改造以及智能管理系統(tǒng)的增加，對(duì)結(jié)晶房?jī)?nèi)的結(jié)晶環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，使多晶體糖的結(jié)晶過(guò)程處于工藝要求的范圍內(nèi)。結(jié)晶房的改造以及智能管理系統(tǒng)的應(yīng)用改變了過(guò)去自然環(huán)境變化影響多晶體冰糖結(jié)晶條件的生產(chǎn)模式，做到結(jié)晶房工作環(huán)境自主可控，溫、濕度按工藝需求可隨時(shí)調(diào)整梯度變化量，結(jié)晶房溫度可控制在±1.0℃。

通過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，采用此套結(jié)晶智能管理系統(tǒng)合理控制結(jié)晶室內(nèi)的溫度和濕度，多晶體冰糖母液還原糖降低了0.6%，色值降低了5 IU，結(jié)晶率提高了近10%。

3.4 管理系統(tǒng)投資概算

公司對(duì)原有的其中10間多晶體冰糖結(jié)晶房進(jìn)行智能管理系統(tǒng)改造，概算如下：

結(jié)晶房改造60萬(wàn)元，可調(diào)節(jié)溫度干燥熱風(fēng)系統(tǒng)70萬(wàn)元，溫、濕度測(cè)量系統(tǒng)10萬(wàn)元，智能管理系統(tǒng)23萬(wàn)元，其他費(fèi)用5萬(wàn)元。智能管理系統(tǒng)合計(jì)投入168萬(wàn)元。

3.5 管理系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益

以公司10間結(jié)晶房為例，每間結(jié)晶房體積長(zhǎng)20 m×寬5 m×高3 m，結(jié)晶液50 t/間，其經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)如下：

結(jié)晶率由原先的50%提升至60%，提高10%。冰糖與白砂糖相比，市場(chǎng)價(jià)值增加1000元/t。每噸的經(jīng)濟(jì)效益為：0.1×1000元/t=100元/t。每間結(jié)晶房增長(zhǎng)效益為：100元/t×50 t×60%=3000元，10間結(jié)晶房增長(zhǎng)效益為30000元。

多晶體冰糖母液還原糖降低0.6%，在生產(chǎn)過(guò)程中起晶速度的提高，可節(jié)約人工時(shí)長(zhǎng)約30 min/人。以5人/班次為例，每人300元/天，每天工作時(shí)長(zhǎng)8 h，人均每人每天節(jié)省300÷8×0.5=18.75元/天，5人可節(jié)省93.75元/天。

色值降低5 IU，每噸糖母液折合糖計(jì)算約0.4 t，每噸糖價(jià)值提升約為50元，10間結(jié)晶房經(jīng)濟(jì)效益為：50 t/間×0.4 t×50元×10間=10000元/批。

4 結(jié)語(yǔ)

多晶體冰糖是消費(fèi)者日常生活中的常用食品，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)其利潤(rùn)率比白砂糖更有優(yōu)勢(shì)，且受白砂糖價(jià)格波動(dòng)的影響較小。本文通過(guò)對(duì)多晶體冰糖結(jié)晶房的改造及智能管理系統(tǒng)的應(yīng)用提高了結(jié)晶率，增加了多晶體冰糖產(chǎn)糖率，減少了低附加值糖品種的產(chǎn)量，從而提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。