糖厂糖分回收率影响因素研究——基于熵权灰色关联法

刘桂云，柳颖，黄玉南，蚁细苗，曾练强，钟志才，常国炜，梁达奉

(广东省生物工程研究所(广州甘蔗糖业研究所) 广东省酶制剂与生物催化工程技术研发中心，广州 510316)

1 概述

糖分回收率是衡量糖厂甘蔗管理和生产技术水平的一项重要指标，正确评价和分析各个因素对于结果的影响程度，有助于糖厂提出合理措施，高效提高回收率生产实绩。目前国内外许多学者的研究方向主要集中在如何提高糖分回收率方面，如Uppal S K等[1]认为对甘蔗预处理可以提高糖分回收率，钟志才等[2]在甘蔗制糖过程中应用葡聚糖酶使煮炼回收率提高；从统计学方面研究生产技术指标与糖分回收率之间关系的报道还较少，使糖厂在面对糖分回收率低的问题时缺乏相应的理论支撑。

灰色关联分析法是一种根据序列曲线几何形状的相似度来判断不同数列之间的差异性和关联程度的方法，已被应用于因素分析、综合评价、方案决策等研究领域[3]。同时，信息熵可用于计算指标的权重系数[4]，有效避免主观因素形成的权重分配偏差。因此，基于熵权法和灰色关联法，本文对广西某亚硫酸法糖厂6个榨季糖分回收率和相关生产指标数据进行分析，为糖厂生产管理和提高糖分回收率提供了决策依据。

2 数据与方法

2.1 数据来源

数据来源于某糖厂2012/2013～2017/2018榨季生产数据，数据根据各项指标的原始数据经过统计方法得到。

2.2 指标选择

根据亚硫酸糖厂的生产实践经验及日常化学管理指标，从甘蔗质量、压榨、澄清(包括辅助用料)、结晶、糖分损失5个方面考虑选择甘蔗蔗糖分、初压汁纯度、初压汁锤度、甘蔗纤维分、渗透水量(对蔗比)、初混汁纯度差、清混汁纯度差、丙膏纯度、糖蜜纯度、糖蜜量(对蔗比)、磷酸用量(有效五氧化二磷对蔗比)、硫磺用量(对蔗比)、石灰用量(对蔗比)、未测定损失、蔗渣转光度、滤泥转光度指标。

2.3 熵权法确定权重

2.3.1 数据标准化处理

在进行标准化前需区分正向指标和逆向指标，指标的标准差标准化方法如下：

(1)

(2)

2.3.2 第j项指标第i年份指标值的比重(Pij)

(3)

2.3.3 指标信息熵(ej)

(4)

2.3.4 第j项指标的权重(Wj)

(5)

式中：dj为第j项指标的信息效用值，取决于该指标信息熵ej与1之间的差值，即 dj=1-ej。

2.4 灰色关联分析法

2.4.1 选择参考序列和比较序列

本文选择糖分总回收率作为参考序列，选取的指标作为比较序列。设参考序列为X0'，X0'={x0'(1)，x0'(2)，…，x0'(n)}，比较序列为Xi'，Xi'={xi'(1)，xi'(2)，…，xi'(n)}，i=1，2，…，m。

2.4.2 参考序列和比较序列的无量纲化

为避免系统中各因素量纲与量级不同无法进行比较，需对评价指标的原始数据进行预处理，使指标之间可以直接比较，本文采用初值化的处理方法。

(6)

2.4.3 求关联系数

利用参考序列和比较序列标准化后的数据，求关联系数，公式为：

(7)

式中：ξi(k)为比较序列Xi'的第 k个指标与参考序列X0'的第 k个指标之间的关联系数；ρ∈[0，1]为判别系数，用来削弱最大值过大而失真的影响，提高关联系数间的差异显著性，通常取ρ=0.5。

2.4.4 求灰色关联度

(8)

式中：当0

2.5 求加权关联度

(9)

式中：W(k)为公式(5)确定的各影响因素权重，k=1,2,…,n。

3 结果分析

各指标的原始数据见表1。

表1 糖厂2012/2013～2017/2018榨季糖分总回收率与生产指标原始数据

续 表

由表1可知，在糖厂6年生产期间，糖厂糖分回收率呈现波动性变化，单从每个指标分析，很难发现影响糖分回收率的主要因素。

3.1 指标权重系数的确定

对选取的正向指标和负向指标分别采用公式(1)和公式(2)计算，再根据公式(3)进行规范化处理，利用公式(4)计算熵权值exi=(0.8989，0.8376，0.9183，0.9084，0.9384，0.8789，0.9488，0.8993，0.9062，0.8822，0.8575，0.8775，0.8941，0.8743，0.8609，0.8690)，由公式(5)算得各指标的权重Wxi=(0.3279，0.5468，0.2707，0.2957，0.1992，0.3975，0.1301，0.2651，0.2537，0.3716，0.4659，0.3891，0.3020，0.3138，0.3220，0.2664)。

3.2 关联度计算

以糖分总回收率为参考序列，根据公式(6)对糖分总回收率与选取的生产指标数据进行初值化法处理，并根据公式(7)计算糖分总回收率与生产指标之间的关联系数，计算结果见表2。

表2 糖分总回收率与生产指标的关联系数

将表2的关联系数带入公式(8)和公式(9)，分别得到该糖厂糖分回收率与各影响因素之间的灰色关联度、加权关联度及排序，结果见表3。

表3 灰色关联度、加权关联度及排序

4 结论与讨论

由表3可知，除了未测定损失外，选取的生产指标与糖分总回收率的灰色关联度都在0.650以上，可见糖分回收率是甘蔗与制糖生产过程中诸多因素相互作用的结果。从个体分析来看，灰色关联度排名第一的为初压汁纯度，其次是初压汁锤度、渗透水量和糖蜜纯度。此外，灰色关联度较大(≥0.9)的还包括甘蔗蔗糖分、蔗渣转光度、甘蔗纤维分、糖蜜量和丙膏纯度。

从加权关联度分析来看，影响糖分回收率的前5位因素分别为初压汁纯度、糖蜜纯度、渗透水量、糖蜜量、丙膏纯度，综合上述，可见这5个指标仍然是重要的影响因素，只是顺序略有变动。通过因素组合及对比分析，与糖分回收率联系比较紧密的因素主要集中在甘蔗质量、结晶及压榨工艺技术方面，而澄清效果及糖分损失对糖分回收率也有一定程度的影响。具体分析如下：

4.1 甘蔗质量

初压汁加权关联度排序第一，是影响糖厂糖分回收率的首要因素。蔗汁纯度高，即蔗汁中非糖分物质相对较少，澄清与结晶过程更为顺畅，糖分易被回收，且根据糖蜜形成理论，非糖分存在与糖蜜的形成有重要关系，因此提高蔗汁纯度是提高糖分回收率最有效的举措。Shahzad S等[6]也研究发现甘蔗品质性状中纯度指标对糖分回收率直接影响最大。甘蔗糖分及初压汁锤度加权关联度排序在第六和第十一，说明这2个指标对糖分回收率有一定影响，但较初压汁纯度作用有所降低。甘蔗蔗糖分及初压汁锤度虽是糖厂产糖率的重要参数指标，但在甘蔗或蔗汁质量下降过程中这3个指标则会相互联系[7-9]，表现为蔗糖分转化损失，锤度上升，使得蔗汁纯度下降。

纤维分的加权关联度排序第十，纤维分对糖分回收率影响主要作用在压榨抽出率，甘蔗纤维分常作为调节渗透水量的参考依据之一，且蔗渣糖分损失和纤维分有很大关系。

4.2 工艺技术

工艺技术的合理与否影响着能否将甘蔗中糖分最大限度提取、结晶出来，对应的是制糖生产中的压榨和蔗糖结晶工艺。压榨工艺方面，渗透水用量是影响压榨抽出率的一个重要指标。研究表明[10]当渗透水量与纤维量之比λ小于2时，抽出率会迅速增加，而该糖厂6个榨季λ值偏小，这是渗透水量加权关联度排序第三的重要原因。初混汁纯度差是压榨车间一个综合性指标，体现的是车间清洁卫生管理、压榨机列效能和辅料质量等，本文中初混汁纯度差对糖分回收率的作用不突出，而结合未测定损失指标排序，说明糖厂压榨车间的卫生管理到位。蔗糖结晶方面，糖蜜纯度、糖蜜量和丙膏纯度加权关联度排序都在前五，而结晶一直是糖厂回收蔗汁中蔗糖最难且重要的一环，涉及的因素比较多，糖浆质量、人员操作、煮糖制度等方面都影响煮炼回收率[11]。目前，很多糖厂常采取措施希望降低丙膏纯度和糖蜜纯度以提高回收率，一定条件下，降低两者纯度对提高糖分回收率是有益的，但丙膏纯度过低，糖膏粘度大，糖分吸收困难，糖蜜纯度可能会下降，但糖蜜量往往增加，反而增加糖分损失，黄俊生等[12]指出应制定低纯度糖蜜和合理丙膏纯度。

此外，澄清辅料用量加权关联度排序在第七、第八、第九，说明糖分回收率对辅料用量有一定依赖作用，合理的辅料用量可提高澄清效果，为蔗糖结晶过程打下基础。清混汁纯度差指标排序靠后，主要是因为甘蔗纯度高、非糖分少时，清混汁纯度差会相应降低，糖分回收率依然可以很理想，该糖厂2013/2014榨季就说明了这一点，而这也表明清混汁纯度差并不是澄清效果的特征指标。

4.3 糖分损失

未测定损失、蔗渣和滤泥转光度加权关联度排序较后，它们在蔗糖损失中占比较小。未测定损失主要是生产过程中“跑、冒、滴、漏”及蔗糖转化等引起的糖分损失，值得注意的是，微生物造成的糖分损失常常是糖厂容易忽略的[13]，微生物在消耗蔗糖的同时，还会伴随一些多糖形成，造成溶液粘度增加，降低蔗糖的回收率。

5 展望

糖分收回率与甘蔗原料质量、工艺技术及糖分损失等因素有关，从这几个方面入手对提高糖分回收率有良好的促进作用。其中，甘蔗纯度对糖分回收率的影响最为突出，因此需合理安排榨期，尽量保持砍后甘蔗新鲜和降低甘蔗含杂率[14,15]，避免化学作用和微生物作用引起的蔗糖转化损失；制定合理工艺技术，尤其是在压榨及结晶方面，在蒸汽充足的情况下，可适当增加渗透水量；合理控制丙膏纯度，从煮糖操作和管理等方面降低糖蜜纯度和糖蜜量；澄清过程处于制糖生产中间阶段，主要作用是为结晶提供高质量物料，因此通过合理辅料用量提高清净效果也是提高糖分回收率的有效途径；整体上看，抓住影响糖分回收率的主要矛盾有利于更好指导管理生产，但制糖生产各个工艺紧密相联，抓好每个环节才能使糖分回收率最大化。除此之外，利用新技术、新设备也是提高糖分回收率的一个重要方向[16]。

通过熵权灰色关联法分析糖厂糖分回收率的影响因素结果基本符合糖厂的生产实际，说明该方法是可行的且适用性较高。