蔗糖无硫澄清工艺与设备优化研究

康丽

蔗糖无硫澄清工艺与设备优化研究

康丽

（桂林航天工业学院 能源与建筑环境学院，广西 桂林 541004）

针对亚硫酸澄清法制糖工艺二氧化硫残留量大，酒精蒸馏中亚硫酸钙结垢等问题，以制糖工艺的无硫澄清关键工艺和设备优化问题为重点开展研究．分析传统工艺的弊端并给出了无硫澄清新工艺流程，通过与传统工艺对比分析，结合新工艺特点、工艺需求和热平衡提出了澄清工艺工段的设备布置流程，为实现蔗糖加工无硫工艺可行性研究和工业化实现提供有价值的参考．

蔗糖；亚硫酸法工艺；无硫澄清；设备优化

广西是全国蔗糖产量第一的省区，糖蔗种植和蔗糖业一直是该区的传统优势产业，以开展蔗糖产业链关键共性核心技术攻关的现代智慧糖业领域创新发展，是贯彻落实创新驱动发展战略，打造广西九张创新名片工作方案的重要工作任务[1]．目前，广西仍有超过90％的糖业生产企业采用磷酸-亚硫酸法生产蔗糖．相比碳酸法、石灰法而言，该工艺不仅需要消耗大量的石灰、磷酸和硫酸，而且对澄清工段的用药量控制提出了极高的要求[2]．特别是传统的磷酸-亚硫酸法消耗大量的二氧化硫，造成硫份残留在成品中的比例超过国标，严重影响了食用糖的安全性．

国内学者在蔗糖澄清工艺优化方面做了大量研究，提出了多种方法替代或改良磷酸-亚硫酸法．谢彩锋[3]等提出了利用丹宁替代管道硫熏的二次澄清工艺，并用单因素正交实验法优化了最佳工艺参数；劳以添[4]提出了一种利用改性纤维球处理的无硫澄清新工艺；林荣珍[5]等利用高聚物和重硫氧对甘蔗混合汁进行澄清脱色，并通过敏感性分析证明低硫低磷甘蔗制糖澄清新工艺优于传统制糖工艺．基于以上研究成果，本文从工艺优化与设备集成角度改良蔗糖混合液的澄清工艺，基于工艺前期无硫化澄清工艺优化与发酵法制酒精精馏塔结垢的末端治理结合的可行性角度，将压榨混合液澄清工段中的一次预加硫、二次管道硫熏工艺去除，引入三次加热中和沉降法，并优化了澄清、中和与换热装置，在满足平衡pH值，降低混合液硫含量，改善有效絮凝沉降效果的同时，满足新工艺对设备的要求，并解决了后续发酵工艺结垢难题，实现砂糖成品品质提升．

1　亚硫酸澄清法制糖工艺

以石灰、磷酸、二氧化硫作为澄清剂的磷酸-亚硫酸法制白砂糖与发酵工艺见图1．

图1　磷酸-亚硫酸法制糖与发酵工艺

澄清工段的基本工序见图2．

图2　磷酸-亚硫酸法澄清工段流程

因为该法工艺简单，投资较低，但处理条件较苛刻，加入二氧化硫出现的主要问题及不良后果为：

（1）一次加热工艺控制．在硫熏中和之前进行的一次加热（温度在70~80 ℃之间）主要作用是加速石灰乳与磷酸、二氧化硫的反应，进一步提高预灰作用的同时，促使胶粒的凝聚，抑制微生物，关键是温度控制，加热温度高能除去胶体沉淀，但会抑制硫熏中和的二氧化硫吸收量，同时高温酸性条件又会加速蔗糖的转化与还原糖分解，因此温度控制在较低水平．

（2）硫熏中和工艺．多喷嘴的硫熏中和器是利用喷射器原理，通过蔗汁高速射流形成的真空将硫气吸入，与后续加入的石灰乳反应生成亚硫酸钙，升华硫会形成硫磺粉堵塞管路，硫熏强度提高，提高沉降效果的同时也会加重过滤负担，增加二氧化硫的残留量，并增加了气体外溢的环境破坏风险．

（3）二次加热工艺．二次加热（温度在70~80 ℃之间）目的是使亚硫酸钙沉淀粒子密度增大，易脱水和沉降过滤，并使亚硫酸钙沉淀，磷酸钙反应完全，温度控制要均衡，不可过高．由于亚硫酸氢钙是可溶性的钙盐，而蔗汁中的胶体物质阻碍了亚硫酸钙沉淀的形成，为促进亚硫酸钙的形成，必须加入更多的二氧化硫以便于充分利用吸附法除去非糖分胶体物质，结果会进一步增加二氧化硫在糖液中的残留量．

同时，亚硫酸钙的出现是后期废糖蜜制酒精工艺中设备结垢与“塞塔”的主因，也成为亚硫酸法制糖末端废桔水蒸馏制酒精工艺中难以解决的症结[6]．

2　工艺与设备优化

2.1　无硫澄清新工艺

为有效解决硫残留问题，满足一级糖色值，并保证二氧化硫含量不高于30 mg/kg，提出一种可满足工业化的无硫澄清优化工艺，步骤为：

（1）预热．压榨混合汁至80℃．

（2）一次加灰、加酸．连续加入磷酸、石灰乳，pH值调至7.0．

（3）一次加热．一次加热至沸腾，分离絮凝，沉降分离一清汁．

（4）二次加热．沉降分离的澄清液加热至沸腾．

（5）二次加灰．加入石灰乳至一清汁pH值调至8.0．

（6）中和反应．将一清汁通入反应器，再次加热至沸腾．

（7）二次絮凝分离．加聚丙烯酰胺溶液（用量控制为5mg/L），分离获得泥汁和清汁．

工艺流程见图3．

图3　无硫澄清新工艺流程

工艺流程中，先在混合汁中加入磷酸、石灰乳进行澄清处理得到一清汁，取代了含硫的工艺措施，然后在一清汁中加入单宁、聚丙烯酰胺，除去一清汁的胶体、色素等非糖分，以获得二清汁供制糖生产用，新工艺中全程无二氧化硫添加．同时，温度控制要求不高，工艺过程容易操作．

2.2　工艺对比与装置分析

2种工艺的条件差异与影响结果见表1．

表1　2种澄清工艺条件与影响

由表1中的工艺条件分析可见，二氧化硫在亚硫酸法澄清工艺中的主要作用是形成亚硫酸钙，用以吸附泥汁和胶团[7]．同时，亚硫酸钙也是后期酒精蒸馏塔结垢的主产物．无硫工艺中以单宁和聚丙烯酰胺作为二次絮凝剂，从工艺上杜绝了蒸馏结垢物的出现．但是，由于单宁与聚丙烯酰胺对大分子胶团的絮凝效果不及二氧化硫，需要二次加热、多次沉降以满足基本澄清工艺的需求，也对工艺设备的预混合环境、温度控制提出了更高的要求．

2.3　无硫澄清设备布置

为实现并满足无硫新工艺要求并实现节能，将换热装置流程优化并设置反应器、加热絮凝器以合理利用热量，新型无硫澄清工艺的设备优化设计与布置见图4．

图4　无硫澄清工艺优化布置示意图

结合新工艺，从满足工艺需求并考虑设备优化布置与节能，在澄清工段设备布置体现的特点为：

（1）引入搅拌反应釜进行混合搅拌，为一次加灰、加酸的反应提供预混和反应空间，便于pH值调节与温度梯度控制[8]；

（2）利用换热器间的温差，合理布置热交换线路，并采用蒸汽引射器实现节能高效；

（3）在一、二次絮凝沉淀中，引入新型的加热絮凝沉淀器，方便石灰乳的添加，以及温度、pH值的有效控制．

3　结语

一直以来，蔗糖产品的含硫量高，难以满足国外食品企业的质量控制要求．同时，亚硫酸法工艺尾端制备酒精的副反应结垢难以处理，成为严重制约产业发展的瓶颈问题．本文通过对原有工艺与新工艺的比较分析，工艺设备设计与布置，为无硫工艺的产业化和工厂装置优化提供了思路，对有效解决甘蔗制砂糖的二氧化硫残留问题，提高白砂糖的食用安全性具有重要参考价值．

[1] 赵威．甘蔗汁过滤设备的研究与开发[D]．南宁：广西大学，2016：5-12

[2] 浦明，杨建华，陈子华，等．甘蔗制糖生产过程自动化的现状和发展趋势[J]．轻工科技，2018，34（11）：59-61

[3] 谢彩锋，马英群，丁慧敏，等．一种甘蔗混合汁无硫二步澄清工艺优化研究[J] ．食品工业，2016（7）：63-67

[4] 劳以添．使用了改性纤维球处理的甘蔗制糖无硫澄清的方法：中国，108396077A[P]．2018-08-14

[5] 林荣珍，刘和清，杨宇格，等．低硫低磷甘蔗制糖澄清新工艺研究[J]．甘蔗糖业，2014（3）：24-30

[6] 陈国伟，陈子华，代光伟，等．甘蔗糖厂利用酒精车间CO2进行碳硫结合清净工艺初探[J]．甘蔗糖业，2015（3）：19-22

[7] 谭宏伟，周柳强，谢如林，等．蔗糖生产中的有机废弃物资源化利用研究[J]．大众科技，2016，18（5）：110-112

[8] 谭蔚，陈刚，段振亚．化工设备设计基础[M]．3版．天津：天津大学出版社，2007：168-172

Study on the technology and equipment optimization of sugar clarification without sulfur

KANG Li

（School of Energy and Building Environment，Guilin University of Aerospace Technology，Guilin541004，China）

Aim to the problem of sulfur dioxide high residue and scaling in alcohol distillation by sulfurous acid sugaring clarification technique，study on the key technology and equipment optimization of sulfur-free clarification in sugar production．The disadvantages of traditional technology are analyzed and the technological process of sulfur free clarification is given．Through the comparative analysis with the traditional process，combined with the characteristics of the new process，proposed the equipment layout flow of the clarification process section based on the process requirements and heat balance．It provides valuable reference for the feasibility study and industrialization of sulfur-free sugaring clarification．

cane sugar；sulfitation process；sulfur-free clarification；equipment optimization

1007-9831（2020）07-0042-04

TS24∶TK17

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.07.010

2020-04-10

广西高等教育本科教学改革工程项目（2019JGB382）；桂林航天工业学院博士科研启动项目（GHKY2019009）；国家大学生创新创业训练计划项目（201710221034）

康丽（1981-），女，黑龙江齐齐哈尔人，助理实验师，从事机械设计、建筑设备等研究．E-mail：19110962@qq.com