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甘蔗制糖

作者:大发官网 发布日期:2020-04-17 04:01



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  以甘蔗为原料,经提汁、清净、蒸发、结晶、分蜜和干燥等工序制成白砂糖、粗糖等产品的过程。甘蔗特性、蔗汁的化学成分及性质,对制糖工艺影响甚大,是选择生产方法及工艺条件的依据。

  甘蔗是禾本科植物,原产于印度,现广泛种植于热带及亚热带地区。从北纬34°至南纬31°的范围,遍布80多个国家和地区。全世界每年甘蔗种植面积约1583万公顷。甘蔗生长期为10~16个月,长的达18~24个月。每公顷产蔗量随生产期延长而增高。美国的夏威夷单产最高,每公顷产蔗量为 207吨。甘蔗种植面积和产量最多的是印度和巴西。

  中国种植甘蔗的省(区)有14个,以广东、广西、台湾、云南、福建等为主,其次有海南、四川、江西、湖南、浙江、贵州、湖北、河南和陕西等省。全国甘蔗种植面积约90万公顷(含台湾省7.5万公顷),每公顷平均产蔗量51吨,其中以台湾省和福建省最高,分别为75吨和72吨。

  甘蔗的化学成分随品种、土壤、气候、成熟程度等的不同而变化甚大。成熟的甘蔗水分为70~77%,蔗糖分12~18%,纤维分9.5~12.0%,无机物0.5~1.4%,非糖分0.7~1.0%。

  甘蔗作为制糖原料,既要有足够的蔗源以满足糖厂生产,同时要求蔗茎的蔗糖分和纤维分较高,非糖分要低。甘蔗的蔗糖分随生长期而逐渐提高,成熟时达到最高点,然后逐渐下降。甘蔗一经收获,便开始失水减轻重量,蔗糖逐渐转化为还原糖,从而使纯度下降。在干燥和高温条件下更易转化。因此,甘蔗不能贮存,应尽快送糖厂加工,以收获后不超过2天即加工为宜。

  “十一五”期间是我国糖业发展的黄金时期,国家采取了一系列政策措施,对于促进行业结构调整,保障食糖市场有效供给,增加糖料主产区农民收入起到积极的作用。五年时间,食糖总产量5881万吨,比“十五”期间增加1429万吨,增长32%;食糖消费“十一五”期间达到6439万吨,比“十五”期间增加1546万吨,增长31.6%。“十一五”期间我国食糖净进口为568万吨,比上五年增加99万吨。从销售收入来看,“十一五”期间,行业市场规模呈波动上升趋势,整体规模不断扩大,2010年行业销售额达到663.63亿元,同比增长27.57%。

  然而2008/2009、2009/2010、2011/2012中国食糖连续三个年度减产,恰逢全球食糖减产周期,中国作为世界上最大的食糖生产和消费国之一,中国面临的较大的供需压力,致使糖价一飞冲天,从2008年的3000元/吨低点算起,三年内价格翻了2.5倍。,食糖价格暴涨对于上游种植业、中间的加工业、下游食品饮料行业产生重大影响,愈来愈旺盛的食糖需求遭遇增产瓶颈的食糖生产;为了满足国内需求,国家已经进口了相当数量的外糖弥补缺口。

  另外行业糖业区域布局进一步优化,糖料生产向西部地区转移趋势明显,生产集中度不断提高,产糖省区由“十五”初期的21个减少到15个。从区域结构看,主产糖区广东、广西、云南、海南、黑龙江、新疆六省区食糖产量占全国总产量的比重达98%。通过区域结构调整,一是一些不宜发展糖料生产的地区逐步退出制糖行业,如宁夏、吉林、陕西、山西、甘肃、湖北等省区;二是一些老产区如黑龙江、辽宁、内蒙古、河北、福建、江西、四川等省区的一些资产负债率高、亏损严重的糖厂实施了关闭破产;三是在广西、云南、广东湛江市和新疆自治区等重点产糖省区关闭破产规模小,长期亏损且扭亏无望、污染严重的糖厂,同时鼓励优势企业扩大规模,提高技术水平。

  甘蔗制糖工序包括提汁、清净、蒸发、结晶、分蜜和干燥。后 4道工序的工艺技术与甜菜制糖的基本相同。

  从甘蔗提取蔗汁的方法有压榨法与渗出法。压榨法是对甘蔗通过预处理和压榨设备与渗浸系统相配合提取蔗汁的方法。渗出法是甘蔗经预处理破碎,通过渗出设备和采用一定的流汁系统,蔗料经水和稀糖汁淋渗,使甘蔗糖分不断被浸沥而洗出的方法。

  压榨提汁原理主要是将甘蔗斩切成丝状与片状的蔗料,入压榨机,使充满蔗汁的甘蔗细胞的细胞壁受到压榨机辊和油压的压力而破裂,蔗料被压缩,细胞被压扁的同时排出蔗汁;借助于渗浸系统将从压榨机排出、开始膨胀的蔗渣进行加水或稀汁渗浸,以稀释细胞内的糖分,提取更多的蔗汁。

  蔗料相继通过几座三辊压榨机被多次压榨。在蔗料进入末座压榨机之前加水渗浸。加入的水称渗浸水,一般用量为甘蔗量的15~25%。从末座榨出的汁称末座榨出汁,它随即被泵入前一座压榨机作为渗浸液,渗浸进入该座压榨机的蔗料,所榨出的稀汁再作前一座压榨机的渗浸液,如此直至第二座压榨机,这就是糖厂普遍使用的复式渗浸法。由第一座及第二座压榨机压出的汁合并成混合汁,送清净处理。从末座压榨机排出的蔗料称为蔗渣。蔗渣中水分为45~50%,糖分1~4%,纤维分45~52%,可溶性固体物1.5~6%。蔗渣送锅炉作燃料,或另作其他工业原料。衡量提汁方法的提糖效率用糖分抽出率,其定义为从甘蔗中已被提取的蔗糖对甘蔗中蔗糖的质量百分数。甘蔗糖厂糖分抽出率在92~97%之间。

  压榨提汁主要设备包括切蔗机、压榨机及其驱动装置、渗浸系统及相应的输送设备。切蔗机由蔗刀及驱动装置组成。压榨机由 3个辊子及机架构成。三辊压榨机的辊被装嵌成三角形,视其所处位置分别称为顶辊、前辊和后辊。顶辊与前、后辊间有一定的间隙。3个辊的轴端带有传动齿,由原动机如电动机、汽轮机或蒸汽机经减速装置驱动顶辊,从而使3个榨辊以相同的速度转动。

  甘蔗糖厂生产能力,以糖厂每日压榨甘蔗吨数来表示。处理甘蔗的能力与压榨机座数、甘蔗破碎度、压榨辊直径与长度、辊子转速、甘蔗纤维分和对糖分抽出的要求等因素有关。通常,糖厂采用4~6座压榨机组成一压榨机列。亦有采用2列、3列,以适应生产的需要。

  蔗汁的化学成分,随甘蔗的化学成分、甘蔗收获后存放时间和环境等不同而变化。表1 [蔗汁成分]为蔗汁化学成分。

  80年代后期以来,甘蔗提汁技术一方面倾向于加强甘蔗预处理,使破碎度提高到70~80%;注重采用高位入料槽,或者采用压力入料辊(又称齿状入料辊)两个与传统的三辊压榨机组成五辊压榨机,以强化压榨机的入料,并进行预压缩,从而提高压榨机生产能力;另方面在渗浸工艺上,又在复式渗浸系统的基础上,采用压榨机出来的稀汁的大部分回流本座压榨机,使在不增加渗浸水量的前提下增加渗浸液量,使蔗渣含液量达到饱和,呈饱和渗浸,充分渗浸与稀释蔗料的残留糖分,达到进一步提高糖分抽出的目的。

  压榨法耗用钢材与电力较多,但它具有的处理甘蔗能力适应性强、技术管理方便和运行可靠等优点,使之迄今仍是甘蔗提汁的主要方法。

  甘蔗渗出法的基本原理是利用甘蔗细胞中的细胞质与细胞壁之间有一层细胞质膜,对细胞外面的物质能起选择吸收的渗透作用。因此,可以应用固―液萃取的浸沥操作,通过洗涤、稀释、浸透和扩散作用把甘蔗中蔗糖分子转移于渗出汁中,达到提取糖分的目的。

  甘蔗渗出法提汁工艺主要包括甘蔗预处理、糖分渗出和湿蔗渣脱水。渗出工艺又可分成两类:一类是蔗丝渗出,甘蔗经预处理成蔗丝后进入渗出器,经渗出水和稀汁渗浸得渗出汁;一类是蔗渣渗出,是甘蔗预处理后的蔗丝先经一台压榨机,榨取相当于甘蔗含糖的60~80%的原蔗汁后,再进入渗出器作进一步的渗出提汁,压榨出原蔗汁与渗出汁合并成混合汁送清净处理。从渗出器出来的蔗料称湿蔗渣,水分约85%,入脱水设备脱水,将水分降至50%以下,送锅炉作燃料或作其他工业原料。脱水设备所得稀汁称脱水汁,通常经加入磷酸、石灰和加热等化学、物理方法清净处理,清汁导回渗出器以助萃取和多回收糖分。渗出法糖分抽出率与压榨法大体相同。

  甘蔗预处理工艺要求的甘蔗破碎度,对蔗渣渗出法为75~80%,对蔗丝渗出法达到85~90%,蔗丝幼细、片状,蔗屑不应过多,以利于更有效地渗出甘蔗糖分。预处理设备常用撕裂机或重锤式撕裂机,切蔗机或其组合设备。脱水设备多用三辊压榨机。渗出器有多种形式,主要有Silver型、BMA型、De Smet型、DdS型和Saturne型等。不同形式的渗出器各具特点,但工艺效果大致相同。各种渗出器都具有使蔗料连续向前移动或旋转推前的运动构件、分级渗淋系统。预处理的蔗料送入渗出器的一端,在另一端加入约甘蔗量25%的渗出水,以渗淋萃取糖分,并从此端排出湿蔗渣。借助多级渗淋系统,使蔗料与萃取液经受多级逆流渗滤,渗出汁自入蔗料端排出。渗淋系统级数,蔗丝渗出用12~18级,渗出时间20~35分钟;蔗渣渗出用8~12级,渗出时间16~26分钟。渗出温度是通过加热渗淋稀汁,使维持渗出器内热裂区渗出汁温度在80~90℃,最终渗出汁温度在50~65℃。影响渗出糖分抽出效率的主要因素,是甘蔗破碎度、渗出温度、时间和渗出水加入量。渗出器生产要取决于它的规范尺寸和流过蔗料层的蔗汁流速。而影响蔗汁流过蔗料层速度的因素是甘蔗质量、预处理破碎度、蔗料层厚度、脱水汁质量和渗出温度。

  渗出提汁法具有省钢材、省动力、省投资、省维修费用等优点。但技术管理要求较高,耗用蒸汽较多。

  借助清净剂和加热所起的化学和物理化学作用,并通过固液分离方法,尽可能除去混合汁中影响蔗糖结晶的各种非糖物质,获得色值较低、清晰、较纯净的清净汁。

  甘蔗制糖方法是以清净过程中使用的主要清净剂来命名。各产糖国家用甘蔗生产白砂糖、粗糖的通用清净方法主要有亚硫酸法、石灰法和碳酸法。

  采用石灰和二氧化硫为主要清净剂。混合汁经预灰(图2[ 亚硫酸法工艺流程])、一次加热、硫熏中和、二次加热后入沉降器,分离出清净汁和泥汁泥汁经过滤得滤清汁,它与清净汁混合再经加热、多效蒸发成糖浆,再经糖浆硫熏得清糖浆作结晶原料。

  图2[ 亚硫酸法工艺流程]中,硫熏强度为蔗汁吸收SO量的指标,一般用碘滴定法,以10毫升硫熏汁消耗的N/32碘液毫升数表示。

  亚硫酸法工艺原理主要是利用亚硫酸离子与钙离子反应生成亚硫酸钙粒子,吸附蔗汁中的色素;加热凝聚胶体物质与加速沉降;调节中和pH值而达到某些非糖物的凝聚点而生成沉淀等化学和物理化学的作用以达到清净的目的。预灰与一次加热对蔗汁中微生物的繁殖亦会起到抑制的作用。

  亚硫酸具还原性,是一种漂白剂。它把色素暂时还原成无色物质,当与空气长期接触又会渐渐呈色。这就是亚硫酸法制得的白砂糖放置时间较长会变黄的原因之一。

  蔗糖在酸性条件下会水解成葡萄糖与果糖等分子混合物,称为转化糖。由于其具还原性,制糖工业又称之为还原糖。还原糖在酸性溶液中稳定,在碱性溶液中当温度较高时则迅速分解,生成有机酸如己糖二酸、葡萄糖酸等及深色的络合物。这些物质不易除去。深色的络合物还影响产品色值。糖浆硫熏控制调节其pH值,是为了防止结晶时还原糖分解,增加色值,并利用亚硫酸的漂白作用降低色值和粘度。

  硫熏中和过程的二氧化硫是借燃硫炉燃烧硫磺时生成。气态二氧化硫由类似水喷射式真空抽吸器的多喷嘴立式管道硫熏中和器抽入。在管道内与作喷射的蔗汁充分接触,反应生成亚硫酸。同时,在该器尾管及储汁箱分几点加入石灰与之中和,从而完成硫熏中和工艺过程。

  加热设备大多采用多程列管式加热器。泥汁过滤普遍采用转鼓式真空吸滤机,亦有采用通用的板框式压滤机。带搅拌连续沉降器(又称Dorr式沉降器)是沉降分离设备之一。它以隔板分成4或5层,顶层为凝聚层,底层为泥汁增浓层,中间几层为沉降层。清净汁主要从各沉降层放出。泥汁借助于该器中心轴慢慢带动它的泥汁耙,使之流向底层而放出,达到沉降分离的目的。

  在亚硫酸法流程中,通常还用磷酸作辅助清净剂。它与石灰作用形成絮凝状的沉淀。它对部分非糖物和色素具有较强的吸附作用。制糖工业界普遍认为,混合汁中含有效五氧化二磷300~400ppm,清净可获良好的效果。

  2002-2012年,糖厂广泛使用一种能起絮凝作用的人工合成的聚合电解质,又称絮凝剂。它是一类高分子化合物。常用的有聚丙烯酰胺,分子量在200万到2000万左右。它的用量极少,几个ppm便足以促使粒子聚成粗大的絮状团粒,加速沉降及过滤。

  在亚硫酸法流程的基础上,应用絮凝剂,利用蔗汁在碱性条件下能大量析出胶体、色素和部分无机盐,采用以气浮分离技术先使凝聚的粒子上浮而除去大部分非糖物,然后将它的碱性清汁用磷酸中和后入沉降器的新工艺。所得清净汁的色值比原亚硫酸法降低30~40%,从而提高白砂糖质量。利用气浮分离技术,对亚硫酸法糖浆进行清净处理,同样可达到改善糖浆质量,提高白砂糖质量的目的。

  以石灰为主要清净剂。将混合汁预灰至pH6.4,加热至60℃,然后加灰中和至pH7.6~8.0,再加热至100~102℃,入沉降器分离出清净汁与泥汁。泥汁过滤得滤清汁与清净汁混合,经多效蒸发得糖浆以供结晶用。

  石灰法流程简单,设备少,只靠加灰中和蔗汁生成较少量的沉淀物与加热的凝聚作用,清净过程除去的非糖物和色素较少,适用于生产粗糖。

  以石灰和二氧化碳为主要清净剂的蔗汁清净法。其工艺流程(图3[碳酸法工艺流程])为:混合汁经一次加热、预灰,然后在加入过量的石灰乳的同时通入二氧化碳进行一次碳酸饱充,使产生大量钙盐沉淀,随即加热、过滤得一碳清汁,再经第二次碳酸饱充,然后加热、过滤,得二碳清汁,又经硫熏、加热、蒸发成糖浆。然后进行硫漂使pH降至5.8~6.4,供结晶之用。

  碳酸法工艺原理主要是利用一碳饱充过程反应生成的大量碳酸钙粒子对胶体、色素及其他非糖分的良好吸附作用,达到降低色值和提高清汁纯度的目的但由于蔗汁含还原糖较多,为了避免在高温,强碱条件下分解,一碳加石灰量为蔗汁的1.5~2.0%,一碳适宜的pH为10.5~11,相当于0.03~0.05克CaO/100ml的饱充碱度。随后的二碳饱充控制pH为8.0~8.4二碳饱充是通过进入CO,尽可能完全地沉淀溶解在一碳清汁中的石灰和钙盐,并吸附部分杂质和色素,进一步提高清净汁的质量。

  二碳清汁通入SO,是使清汁在接近中性的条件下蒸发成糖浆,以避免还原糖的破坏而增加色值,同时糖浆粘度也得到降低。这一工艺作用不能以在二碳饱充时通入过量的CO来达到,因为这样会增加钙盐含量和影响清净效果。

  碳酸法糖厂均备有石灰窑,石灰石在窑中煅烧产生的CO和CaO供该法生产工艺所需。

  碳酸法的清净效果优于亚硫酸法,产品质量较好。但清净耗用物料较多,成本较高,且滤泥处理比较困难。碳酸法工艺流程比亚硫酸法复杂,操作技术要求较高。

  轻工业部甘蔗糖业科学研究所、广东省农业科学院主编:《中国甘蔗栽培学》,农业出版社,北京,1985。James C.P.Chen,Cane Sugar Handbook,John Willey & sons,New York,London,Sydney,Toronto,1985.

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  Helmut Blume,Geography of Sugar Cane,Verlag Dr.Albert Bertens,Berlin,1985.

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