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制糖生产的改进

摘要: 蔗糖结晶,但也包括一些甘蔗的生长(也就是一些农业方面的知识)及蔗糖是如何转变结晶的内容。当农民认识到自己也在生产蔗糖时,就会自觉地向糖厂提供干净的甘蔗,以便得到更多的糖产品。制糖生产的第一步(如果...

蔗糖结晶,但也包括一些甘蔗的生长(也就是一些农业方面的知识)及蔗糖是如何转变结晶的内容。
当农民认识到自己也在生产蔗糖时,就会自觉地向糖厂提供干净的甘蔗,以便得到更多的糖产品。
制糖生产的第一步(如果不考虑甘蔗的种植,实际是那是制糖生产的第一步)是从纤维(其中含有糖分)中将蔗汁榨出。甘蔗都有一定的纤维分,纤维分的高低对抽出率有影响。
看下面的例子:
对30吨夹杂物分别为5%、0%的甘蔗的分析结果如下:

甘蔗分析结果5%夹杂物0%夹杂物
纤维分%甘蔗15%4.54.5
夹杂物5%1.50
干固物%蔗15%4.2754.5
糖度85%3.6343.825
在上面的例子里,几乎就损失了200 kg糖(4包,每包50 kg),对于生产能力为300吨/小时的厂,每小时就要损失2吨蔗糖。
糖厂中还有什么地方能造成糖从损失?
蔗渣就是其中之一。
还是用上面的30吨蔗做例子,蔗渣的水份为50%,干固物含量2.5%
5%夹杂物无夹杂物
纤维9.09.0
夹杂物3.00.0
干固物0.30.225
糖度0.2250.191

在这里又多损失了34公斤糖分,对于300吨/小时的厂,每小时就损失340公斤,这似乎不是一个很大的数字,但一个榨季就会损失1428吨蔗糖。
当前对于进入糖厂的甘蔗的质量几乎没有什么控制,因化验室对混合汁以前的样品根本就没有做任何分析。糖厂要确定糖分的损失情况及如何改进产品质量,最重要的就是对甘蔗进行分析。一个装备良好的化验室对糖厂是很必要,但也不是说要装备一个能进行任何分析的综合化验室。最基本是的能对糖分的损失及锅炉水进行分析。
下面对制工艺进行简单介绍:
预处理
甘蔗首先经过一台或二台蔗刀机,然后用一台撕解机对甘蔗的含糖细胞进行破碎。
压榨或渗出
由4—7座压榨机组成的压榨机列将蔗汁从甘蔗中榨出,在最后一座压榨机前加入渗透水。蔗渣送至锅炉,产生的蒸汽及电力,可用于生产或外送。
渗出法是用水将甘蔗中的糖分洗出,蔗渣用脱水机将水分降至约50%,然后送至锅炉燃烧。
混汁过滤
混汁过滤是在澄清前将其中的蔗渣除去,现在是倾向于使用较小的筛孔,以滤去较多的蔗渣。目前的预处理由于使用了2台蔗刀可及高效的撕解机,混汁中含有较多细小的纤维,所以就要选用较小的筛孔。
细小的蔗糠进入澄清工序会有以下影响:
1、增加色值
2、加大 澄清设备负荷
3、进入蒸发罐,影响蒸发
建议在澄清设备后安装一过滤装置,华卓过滤提供的过滤器以滤去其中细小的蔗糠。
加灰、加热、澄清
这是影响产品质量的关键工序。加灰量、加热温度、散汽、絮凝剂量等对蔗糖的转化都有影响,这会导致废蜜量增大,产糖量减少。澄清汁中遗留细小纤维和不溶粒子在蔗糖结晶过程中会充当结晶核心,降低产品的质量。这种糖在炼糖回溶时会产生泡沫,煮炼困难,成品色值升高。
影响澄清效果最常见的原因是加灰量不足、来汁量不稳定、加热温度与蔗汁的自然磷酸值。化验室的日常分析可以指出蔗汁中的磷酸值是否达到澄清的要求。
澄清后的清汁通过一系列的加热器后进入蒸发罐。
蒸发
蒸发罐内的强烈沸腾可能会引起跑糖现象。设计良好的捕汁器可以避免这种情况。
结构不合理的蒸发罐不凝气体排除不完全,加热管积垢严重。操作工通常会将液面控制在管板之上,以达到增大生产能力的目的,实际上这将降低蒸发罐的蒸发强度,降低生产能力。液面越高,蒸发强度就越低。
蔗汁通过一系列蒸发罐后,浓度达至约65Bx后,送至结晶工序。
结晶
这制糖生产最关键的一环,将决定结晶的大小及晶形是否完美。损失糖分最多的废蜜也是在这一环节中产生。
现在糖厂一般采用三段煮糖并辅以回煮的方法进行结晶。
Three of four stage boiling systems are common practice these days with back boiling being used in many factories.

结晶理论简介
结晶理论
1、饱和溶液:在某温度下,溶液中不能溶解更多蔗糖时,称这一溶液为饱和溶液。蔗糖的溶解度随温度的上升而增大。对于一个糖液,可以有三种状态:不饱和、饱和、过饱和。
可以通过将饱和溶液冷却或蒸发,使溶液中蔗糖的含量高于同温度下的蔗糖溶解度,从而获得过饱和的溶液。换句话说,在过饱和糖液中所溶解的蔗糖要多于同温度下一般溶液所能溶解的蔗糖。
过饱和糖液中所含蔗糖量与同温度下饱和糖液中蔗糖量之比称为过饱和系数。
如果糖液的温度为T,过饱和系数小于1,则溶液未饱和;如果过饱和系数等于1,则溶液饱和;如果过饱和系数大于1,则溶液过饱和。
过饱和系数为1.2、温度为60℃的糖浆,其中溶解的蔗糖量是同温度下饱和糖液的1.2倍。
过饱和系数是结晶的推动力。
过饱和是一种不稳定状态,溶液总是试图通过形成新的晶体或在原有的晶体上沉积的方式降低溶液中蔗糖溶解的量,使溶液回复正常的饱和状态。
在非常高的过饱和系数下,溶液会形成新的晶体(刺激起晶或生成伪晶)。这种情况下是无法对晶体的大小与数量进行控制。当罐内物料的过饱和状态略低于能自然起晶时,投入一定量的种子,称为投粉起晶。这一阶段的过饱和系数很难把握,因操作工没有专用的过饱和度仪器、只能根据物料的粘度来估算,因为过饱和度不能直接测定,现有的过饱和度测定仪都是通过间接的方法来检测。
2、过饱和度区域(纯蔗糖溶液)
蔗糖溶解度与温度有关
A、溶晶区:过饱和系数小于1,蔗糖溶解;
B、介稳区:过饱和系数在1—1.2,可使存在的晶体长大,但没有新的晶核生成;
C、中间区:过饱和系数在1.2—1.3,不但可使存在的晶体长大,同时受到刺激时会有新的晶核生成;
D、易变区:过饱和系数大于1.3,能自然起晶,新的晶核大量生成。
各区域的范围取决于母液的纯度。纯度越高,区域越窄,随着结晶的进行,母液的纯度下降(在晶体表面是沉积的糖分多于入料带入的糖分),区域逐渐变宽。
(注:结晶过程中首先形成的大部分晶核,究竟是来源于投入的种子或是自然起晶,这将由物料的纯度与过饱和度决定。当甲膏的纯度为70至75时,自然起晶的过饱和系数约为1.6,而纯度升至85时,自然起晶的过饱和系数约为1.2,这是因为在低纯度时,介稳区的区域扩大了。这就说明了为什么纯度为70—72的糖浆比高纯度 的糖浆更易煮炼。因为后者更容易产生伪晶。低纯度物料的安全区域更宽,晶粒的生长较均匀,所以要获得外观较好的晶体,需要较长的煮炼时间,但那是物有所值的)。
3、晶体的长大
以下几个因素影响晶体长大的速度:
A、扩散与沉积速度
扩散速度是指蔗糖分子在晶体周围的母液中移动的速度。
沉积速度是指蔗糖分子粘附沉积在晶体表面的速度。
扩散速度主要受母液的粘度的影响,如果糖分只在晶体的两端沉积,形成针状晶形,这是沉积速度不同而造成的。这些因素都会降低结晶速度、容易生成伪晶。
B、过饱和系数
过饱和系数是结晶的推动力,增大过饱和系数对结晶有以下影响:
•可以增加蔗糖分子在晶体表面的沉积速度;
•物料粘度增大,影响扩散速度 ;
•可以增大母液与晶体表面处液膜间的浓度差,加快扩散速度。
注:晶粒大,则表面积大,能比小颗粒的晶体沉积更多的糖分。但大量的小颗粒晶体的总表面积要比少量大颗粒的晶体的表面积大得多,所以小颗粒晶体的结晶速度较快。这就是为什么在一个良好的种子中细小的晶体能很快长大并能长成更均匀的产品的原因。
结晶所需的时间由扩散速度及晶体的总表面积决定。
•粘度(分子在液体内部动力的阻力,即摩擦力).
粘度越大,蔗糖分子通过母液扩散到晶体表面的速度就越慢;粘度还影响晶粒与母液的混合程度。
温度
如果要维持稳定的结晶速度,就要保持过饱和系数不变,当温度下降时,应增大过饱和系数。
•过饱和系数
过饱和系数大,则结晶速度快。
•纯度;
母液纯度降低,结晶速度下降(详见下)。
C、非糖分对结晶的影响
非糖分通常都会降低结晶速度,不同的非糖分有不同的影响,主要由非糖分的浓度与种类决定(还原糖对结晶的利,这就是为什么废蜜是的还原糖/灰分的比例较高时,所得的废蜜的纯度较低)。
起晶
通常有三种起晶的方法
自然起晶:在易变区进行操作
刺激起晶:在中间区进行操作
投粉起晶:在介稳区进行操作
前二种方法操作人员不能控制所产生的晶体数量。
投粉法是根据在介稳区内现存的晶体可以长大而不有新的晶体生成这一原理进行操作的。将由糖浆或甲蜜、或者是这两混合物浓缩,控制过饱和系数在介稳区的上部,然后投入含的所需晶粒数量的种子。
整个煮炼过程全部控制在介稳区进行。但对于操作工,就很难判断当前的操作是在介稳区的上部还是下部,就将操作放在一个处认为较安全的区域内,通常是介稳区的下部来避免伪晶的产生。这样,就不能获得最大的结晶速度和较短和煮糖时间。自动煮糖罐的优点就是通过几罐糖的煮炼,就可以确定介稳区的顶部,以后的结晶就可以在一个优化后的过饱和系数下操作而没有伪晶产生。
糖粉糊
糖粉糊是由精炼糖(不是糖粉或原糖)与不能溶解蔗糖的有机溶液混合后,在一个小型球磨机内磨研而成。有各种不同的糖粉糊加工方法,最重要的是保证每次的加工方法完全相同,使得糖粉糊的质量也完全相同。
糖粉糊加工方法推荐
在5升的球磨机中装入1000克精糖,2000毫升酒精,2500个直径为10毫米的钢球,以80 rpm转速磨24小时。倒出糖粉糊后用酒精清洗球磨机及钢球,这样共获得6升糖粉糊,使用前充分搅拌均匀。
50立方的丙糖罐,每次用800毫升。
种子收紧
这是投粉后的下一步操作。因为此时晶体非常细小,相互间距离较远,糖分扩散至晶体表面的距离较长,如果水分蒸发过快,引起局部过饱和率过高,很容易产生伪晶。这时的目标是在糖膏体积增加之前将晶体养大,占据原来母液占据的空间。通过控制水分蒸发量准确地调整过饱和度,使晶体吸收底料中的糖分长大。这是结晶过程中最难控制的地方。主要理由是:
A、过饱和系数应该控制在介稳区的最上部,以取得最大的结晶速度并避免伪晶生成,而不是通过加大投粉量,增加结晶总表面积来提高结晶速度。
(这是一步很困难的操作,应尽快地完成)
B、罐内应充分对流,使晶体能不断地接触到新鲜的母液。
C、这一阶段应避免过强烈的蒸发,供汽以能保持罐内正常循环即可。
操作方法
D、补充热水,使之与蒸发的水分相等,将操作控制在煮种开始时的介稳区内。
E、关小蒸汽,仅保持罐内正常循环即可。
F、维持液面不变或略为降低(任何情况增高液面,都会导致沸点降低,过饱和系数增大,同时会使蒸发速度突然加快,容易生成伪晶)。理想的情况是连续进热水,使之与蒸发量平衡,维持稳定和过饱和系数。当种子收紧后,罐内物料的体积没有变化,但由于晶粒长大,相互间的距离就变近了(扩散路径短了)。晶粒间的相互摩擦,使得晶粒有机会接触到新的母液,也增大的扩散速度。高纯度物料可以通过降低液面、提高温度来增大扩散速度。
提高温度的作用:
1、降低过饱和系数;
2、增大结晶速度;
3、降低粘度;
4、增强物料的流动性。
由于考虑到要减少糖在高温下破坏的风险,对于低纯度糖膏,不宜采用较高的温度。
养晶
种子收紧后,接着就要将晶体养至产品要求的大小。一定量的糖分沉积到晶体表面,同时必须通过入料(糖浆或糖蜜)补充这部分糖分。物料应该连续地进入罐内,以维持稳定和过饱和系数。如果没有条件做到连续进料,采用有规律的短时间入料要好于长时间间歇入料,因后者会引起较大的过饱和系数变化。温度变化的影响与种子收紧阶段相同。低纯度物料采用较高温度时会引发泡沫(低级糖膏的沸点较高)。
浓缩
当罐内物料到达指定体积后停止入料,继续浓缩至规定的锤度,最终的锤度由设备或物料与操作工的经验来决定。
决定放糖锤度的因素:
A、放糖阀的结构;
B、结晶罐底部的结构;
C、放糖管或槽的结构;
D、助晶机的结构与布置;
E、糖蜜泵的性能。
提高糖膏的放糖锤度才可能最大限度回收糖分。当一罐糖膏的煮炼过程能控制在介稳区的上部,由于结晶速度快,不但可以减少煮糖时间,而且可以够节能,因为在煮糖的后阶段,因循环变慢,因而需要的蒸汽量也较少。
糖膏的锤度低(不紧结),回煮量则多达糖膏量的30%。
入料锤度
放料的锤度对煮糖耗汽有显著的影响。计算表明,对于相同的一罐糖,入料锤度为50°Bx所用的蒸汽几乎是70 °Bx的二倍。高锤度入料也有不足之处,入料锤度过高会造成加热管严重积垢。入料的锤度高,则其中的蔗糖浓度也高,带入罐内的水分可能就不足以平衡蒸发的水分,就有可能产生伪晶。
为了节省蒸汽、减少煮糖时间,入料的锤度不应低于75°Bx。一般的糖蜜应该控制在70--75°Bx,温度为70°C。
煮糖制度
在一罐糖膏中,晶体的重量约占66%(指糖膏中所有的晶体重量)。如果只通过一次煮炼,很难将纯度为85的物料降至废蜜的纯度,这需要很长的时间,同时由于晶体的数量过多,使得糖膏不可能从罐内卸出。
所以糖膏要分多级煮炼,目前普遍使用三系煮糖制度。第一次煮炼用糖浆或回溶糖浆为原料,称为甲糖膏。第二次煮炼称为乙糖膏,第三次煮炼称为丙糖膏。从丙膏分也的丙糖回溶后与糖浆混合,也可以与水或甲蜜混合成糖糊,用于乙糖膏的底料。乙糖由混合为糖糊后用做为甲膏的种子。
某些煮糖制度是将所有丙糖回溶后煮炼色值较低的甲糖,当用丙糖作为乙糖的种子时,这些深色的丙糖就会被包裹在甲糖的中心。
晶体大小
晶体的尺寸影响糖蜜的纯度及糖膏的分蜜。大颗粒与小颗粒各有优、缺点。大颗粒的结晶(0,65 - 0,75 mm),分蜜容易,但由于结晶总面积小,也容易是生成伪晶。小颗粒的结晶分蜜较困难,但由于结晶总面积大,不容易是生成伪晶。
如果结晶总面积小,过饱和度较高,就有可能产生伪晶。这就是罐内母液量过多时产生伪晶的原因。伪晶通常在分蜜时与糖蜜一起被分离出去,在间歇式分蜜机中,它会堵塞有大颗的晶粒间,使排蜜不畅。颗粒大小不均匀,也会产生这种现象。
结晶率
结晶率表示物料中形成结晶的糖所占的百分比。它与结晶罐的效能、操作水平及分蜜机的性能有关。
假设结晶的纯度为100%,结晶率的计算如下:
结晶率=100 X (糖膏纯度 – 糖蜜纯度) /(100– 糖蜜纯度)
一般的结晶率为:
甲膏:60—70%
乙膏:66—65%
丙膏:40—55%
也可以用另一个术语“纯度差”来考核,它表示糖膏纯度与糖蜜纯度之间的差。纯度差越大,结晶率也越高。
下面将对糖厂自动化进及Calco系统进行介绍。
很多糖厂通过计算机就很完全容易地对物料进行管理,用现有的设备也能对化学过程进行控制并将参数汇集至中心控制计算机。但对于澄清而言会有点困难,这是因为蔗汁是含有许多蔗糠(因现在的破碎度越来越高)及蔗汁颜色的变化。
通过一个中心计算机对煮糖进行控制则是另一种不同的概念。全球许多糖厂(这些厂都安装了完全由计算机控制的结晶罐)的经验表明,这些结晶罐在使用时都遇到了困难,特别是在高液位时更是如此。
影响结晶罐运行的因素有很多。
在结晶罐中,真空度与温度是相互关联的,在结晶过程中应该维持稳定。如果结晶过程真空度不断变化,结晶速度也会发生变化,对晶粒的生长就会有一系列的影响。
压力为133 mbar (13.3kPa, 99.76 mm Hg,)时,水的沸点是51.7℃,饱和糖液的沸点约为60℃。后一个温度只是糖液表面的温度,因为在糖液内部,由于液位增加,压力增大,沸点也上升。例如在糖膏表面的温度为60℃,则:
30cm 深时增加至 65.6℃
60cm 深时增加至 70.0℃
90cm 深时增加至 74.5℃
120cm 深时增加至 78.3℃
150cm 深时增加至 81.8℃



温度上升则过饱和度下降(高温=低过饱和度),最终可能会变为不饱和。如糖膏表面的温度为60℃,过饱和系数为1.2,在90至120 cm深处,过饱和系数为1,溶液只是饱和;超过120cm后,就变为不饱和,晶粒就从原来的长大变为溶解。此时就会形成在结晶罐的上部,糖分形成结晶,然后在结晶罐的下部又重新溶解。如果在罐的底部温度为60℃,过饱和系数为1.2,则在罐的上部也会发生同样的情况,
实际的操作经验表明,结晶罐内的液位不应超过上管板以上1.35m,液面较低对加快结晶速度有利,但此时结晶罐的容积与煮成糖膏的体积之比就不是很理想。从结晶速度与结晶罐的利用率来综合考虑,1.35m通常称为最佳液面高度,1.5m称为允许最大液面高度,此时结晶罐的容积利用率较高,但循环较差,结晶速度较低。
如果结晶罐安装的搅拌器,则不只是糖膏的上部与下部间有温度差,由于加热管对循环的影响,同一水平面上的不同位置间也有温度差。
在罐内不同的位置,糖膏的密度也不同,这些差异很难准确地反映至计算机的屏幕上。
由于影响晶体长大的因素太多,所以结晶过程如果没有人在结晶罐旁进行不断地观察,控制将是困难的。
真空度与温度(二者是相互关联的)稳定对于结晶很重要,许多煮糖工试图通过调节真空度来控制温度。
结晶过程最好能将过饱和度控制在尽可能靠近易变区(过饱和系数1.35—1.40)的地方。对于不纯糖液,易变区的位置更依赖于糖液的纯度。煮糖工按步骤并根据糖膏的感官特性进行操作。观察糖膏在视镜上飞溅的形态、用手柄取一些样品直接检查,根据样品在姆指与食指间拉出的丝的长度来判断过饱和系数。当地饱和系数到达易变区时,就会发生自然起晶。
煮糖工不断地对样品进行检查,并根据自己的感觉对结晶进行控制。在煮糖工对样品进行检查,并对阀门进行开、关操作期间,结晶罐必须在易变区以下工作。
下面是纯蔗糖的溶解度曲线:

现在研究母液纯度对易变区的影响,从图可以看出,高纯度物料的结晶浓度较低,而低纯度物料的结晶浓度较高。


出现一条不平滑的曲线并不是操作工的错误,因为操作工必须手工检查糖膏的性质,并进行阀门的开、关操作。
Calcor 结晶系统能帮助操作工将结晶稳定地控制在尽可能靠近易变区的地方进行操作。该系统安装在结晶罐旁边,操作工可以很方便地对其进行控制。很多糖厂试图使用全部由计算机控制的结晶罐,操作工在控制室内远程对结晶罐进行操作,计算机成为事实上的操作工,但其无法感知罐内物料的性状。Calcor 结晶系统能够与存放数据的中心计算机联接,但结晶罐仍由操作工进行控制。通过几次由人工控制的结晶操作后,Calcor 结晶系统可能通过测定糖膏的电导率来控制入料阀门的开关动作。操作工只需要对糖膏进行观察就可以了,一个人可以同时操作几个结晶罐。
下面是用Calcor 结晶系统与人工操作的曲线:
这是人工操作的曲线


这是由Calcor 结晶系统操作的曲线


Calcor 结晶系统通过测定罐内不同液位时糖膏的电导率,对入料阀进行自动调节,使结晶总是在靠近易变区的区域内进行。
Calcor 结晶系统包括自动煮糖与自动煮种二种不同的版本。自动煮糖/自动煮种系统能够在罐内的过饱和度达到设定值(通过几次人工操作就可以得到设定值)后,自动进行投粉,并自动煮水15—45分钟,进行固晶。Calcor 结晶系统能自动转入煮糖操作直至放糖,操作工只需对糖膏进行检查即可。
自动煮糖与自动煮糖/自动煮种系统相似,只是没有煮种装置,只能用于起晶后物料的煮炼。
这二种系统都具有“分割”功能,可以将部分物料分割至另一个罐进行煮炼。系统根据物料的不同纯度,设计了不同的控制,可分别用于甲、乙、丙膏的煮炼。
Calcor 结晶系统有主要特点是:
1、煮糖时间短。因为Calcor 结晶系统采用连续入料,过饱和度曲线接近易就区但不会进入易变区(产生伪晶),也不会进入溶晶区(晶体溶解)。对于高级糖膏,煮炼时间可以缩短25%。
2、晶粒均匀。由于结晶是在事先指定的接近易变区的区域内进行,晶粒生长条件相同,产生的伪晶少或没的伪晶产生。
3、糖蜜纯度低。在Calcor 结晶系统控制下,糖分在尽可能高的过饱和系数下,能更多地从糖蜜中沉积到晶体上,糖蜜的纯度为32—36,与人工操作相比较,约低4度。
4、降低蒸汽耗用量。在最优的过饱和系数下进行结晶,可以减少煮水量次数,减少用水量约为2.5%对蔗,煮糖时间短,用汽也少,与人工操作相比,可节约蒸汽5%对蔗。
5、降低色值。Honig(章节5.7,结晶的溶解与重结晶)的观察表明,与人工操作条件下、在不稳定的过饱和系数下长大的晶体相比,在稳定的过饱和系数下长大的晶体的色值较低。观察同时表明,如果底料中粒子比较均匀整齐,产品的色值也比较低。根据通常的经验,采用Calcor 结晶系统后,色值可以降低约10%。
6、提高分蜜机的生产能力。由于晶粒均匀整齐,没有伪晶,分蜜容易,同时能提高产品的质量。
7、有利于存储。由于晶粒均匀整齐,水分一致,减少包装后或存储过程中的结块现象。
如果所有的罐都安装Calcor 结晶系统,甲膏的收回率能提高1%,则有以下果:
甲糖罐的罐时可以增加11%
降低分蜜机的负荷1.7%
减少回溶糖浆2%
乙、丙膏的量可以减少3.7%
节省蒸汽2.2%
安装Calcor 结晶系统的费用,在一个榨季里就完全可以收回。