优化煮糖制度提高煮炼回收率的研究

王鞠萱，李朝明，黄振军，梅 二，曾练强，钟志才*

(1云南英茂糖业(集团)有限公司，云南昆明650228；2云南西双版纳英茂糖业有限公司，云南景洪666100；3云南西双版纳英茂糖业有限公司景真糖厂，云南勐海666300；4广东省科学院生物工程研究所，广东广州510316)

0 引言

在制糖工业生产中，煮糖工序是关键而重要的环节。经过澄清、蒸发处理的糖浆，最终在煮糖罐内结晶成糖，这一道工序控制的好坏直接影响着蔗糖产品的产量和质量，从而决定着糖厂的经济效益[1]。煮糖的任务是应用结晶的原理，在煮糖罐内进一步浓缩糖浆，使糖浆中的蔗糖形成高纯度的蔗糖晶体结晶而析出。根据结晶的特性和产品质量的要求，不可能一次把糖分都提取出来，而为了把糖浆中的蔗糖分最大限度地提取出来，就必须在煮糖工序采用多段煮糖，即分段提取糖分的方法[2]。为了做好这个多段提糖的过程，需要把各种物料纯度的控制、调配的比例、煮制程序和要求都事先编排好，以便执行操作[3]，这就是煮糖制度。多段煮糖的段数主要根据原料糖浆的纯度、产品的品种和质量要求而定，我国的甘蔗糖厂一般采用三段煮糖工艺：第一段甲糖即为产品白砂糖，第二段乙糖一般是用作甲糖的种子利用，第三段丙糖(赤砂糖)是最后一段提糖工序产物，其自然产量与甲糖(白砂糖)的比例约为 10%～12%，其中丙糖的处理方法直接影响白砂糖产品质量和煮炼回收率，是糖厂生产重要的环节[4]。

目前丙糖的处理方法主要有下面3种方法：①丙糖作为乙糖种子进行套种处理。套种法流程简单，物料回煮量少，对提高糖厂生产处理量及降低能耗有明显效果，但对产品质量有影响，要求丙糖的质量必须控制好，控制不好会对白砂糖产品质量和回收率有不良影响；②丙糖回溶处理。回溶实际是一种重结晶的方法，回溶糖浆一般要进行必要的澄清处理才能进行重结晶，回溶法相当于增加物料的处理量，而且处理过程会造成蔗糖的转化损失，能耗增加[5-6]；③丙糖直接作为产品(赤砂糖)出厂销售，此方法流程更加简单，产品质量及回收都能得到较好的结果，但前提是赤砂糖必须有相对稳定的需求客户，而目前赤砂糖的国内消费不是主流产品，一旦销售受阻，因产品的特性会造成较大经济损失[4]。

2017/18 年榨季云南西双版纳英茂糖业有限公司景真糖厂(下简称“景真糖厂”)采用赤砂糖部分打包出售的煮糖制度，经过工艺探索和试验，其生产的赤砂糖能满足客户对质量的特殊需求，客户订购意愿强烈，客源稳定。2018/19年榨季和2019/20年榨季生产的赤砂糖均全部打包出售，2个榨季的实践数据表明，赤砂糖全部打包出售不仅具有较高的煮炼收回率和提糖率，而且白砂糖产品质量也得到了提高。

1 煮糖制度制定的原则和煮炼回收率评价

1.1 煮糖制度的制定原则

煮糖制度是糖厂煮炼技术管理中的重要环节，必须要综合考虑产品的质量、糖分收回率、物料平衡、设备的配置和操作者的煮糖技术水平等众多因素。合理的煮糖制度制定的基本要求是在保证产品质量的前提下，尽可能降低糖蜜的纯度和减少煮制糖膏的总量[7]。梁汉平[8]曾根据物料和糖分平衡的原理，按全产白砂糖的煮糖系统中各种物料纯度和质量关系(图 1)以及流程推导出全产白砂糖的煮糖系统中各物料的质量和纯度之间的关系，如式(1)、(2)。

图1 全产白砂糖的煮糖系统中各种物料纯度和质量关系

从上式(2)中，我们可以得出糖蜜产量mM与糖蜜纯度M之间的关系，即糖蜜的纯度越低，糖蜜的产量就越低，糖蜜带走的蔗糖就越少，则提糖率越高。

基于上述梁汉平的模型与公式，对于既生产白砂糖又兼产赤砂糖的糖厂，煮糖系统中各种物料纯度和质量关系模型还要考虑丙膏量，我们可以把图1的物料平衡图变换为图2的形式。

图2 生产白砂糖和赤砂糖的煮糖系统物料纯度和质量的关系

根据图 2，煮糖系统物料纯度和质量的关系公式可转换为：

若设定丙糖打包出售量为m(0≤m≤mSC)，可得到白砂糖产量和糖蜜产量与纯度之间的关系公式：

当m=0时，即丙糖全部回溶，此时白砂糖产量与糖蜜产量与式(1)、(2)相同；

当0＜m≤mSC时，白砂糖产量下降，直至m=mSC时(即丙糖全打包出售)，降至最低，式(5)可变为：

当0＜m≤mSC时，糖蜜产量也下降，直至m=mSC时(丙糖全打包)，降至最低，式(6)可变为：

从公式(2)、(3)、(4)可知在糖浆和成品糖纯度一定的条件下，丙膏的纯度越高，丙膏的煮制量越大，相应的丙糖量和糖蜜量也增加。但比较公式(2)和(6)可知，在丙糖和废蜜纯度一定的情况下，赤砂糖(丙糖直接作为产品)打包出售量越大，废蜜产量越少。在丙膏和赤砂糖纯度一定的条件下，废蜜的纯度越低，废蜜的产率越低。上述2点对整个煮炼系统是必须兼顾平衡的，从丙膏系统而言，则是废蜜纯度一定的条件下，丙膏结晶率随丙膏纯度升高而升高，废蜜产率也随之降低。有些片面的观点就是从这点出发，误解为只要提高丙膏的纯度，就可以降低废蜜产率。实际上优化煮糖制度必须从整个煮炼大系统出发，丙膏的纯度和废蜜的纯度绝非可随人们的意愿想降多低就降多低的，只能根据物料纯度、煮糖设备状况、煮糖操作者的技术能力和罐时平衡等进行综合考虑。

1.2 不同煮糖制度对煮炼回收率影响的评价

优化煮糖制度要解决的技术问题主要是赤砂糖的处理方法和丙糖膏的纯度确定。在糖浆纯度和各系糖膏纯度(主要是丙膏纯度)基本一致的情况下，赤砂糖打包出售，赤砂糖产品无需循环处理，各系糖膏的煮制量相应减少，并且减少煮糖过程的蔗糖转化等带来的损失，最终的废蜜量会减少，糖蜜带走的糖分也随之降低，因此回收率高。对于不同榨季的煮炼回收率的比较，我们认为单一变量才能真正反映这一变量对回收率的影响评价，本文将2017/18年榨季和2019/20年榨季在丙膏纯度基本一致的前提下，针对赤砂糖部分打包出售和全部打包出售的不同，对煮炼回收率的影响作评价；同时基于2018/19年榨季和2019/20年榨季赤砂糖均全部打包出售，但丙糖膏纯度不同的情况，对煮炼回收率的影响进行评价。

2 生产实际效果及分析

2.1 糖厂近3个榨季的生产情况

景真糖厂2017/18～2019/20年榨季近3个榨季的甘蔗蔗糖分逐年有所增加，初压汁纯度及糖浆纯度和废蜜纯度基本接近，但煮糖制度有所不同，其中 2017/18年榨季为少量赤砂糖打包出售，其余赤砂糖循环再结晶；2018/19年榨季和2019/20年榨季则是全部赤砂糖打包出售。但 2018/19年榨季为了提高产品的质量，将各系糖膏的纯度(主要是丙膏的纯度)适当提高，即各系煮糖物料纯度有变化。近3个榨季景真糖厂煮糖各种物料的具体数据如表1所示。

表1 近3个榨季景真糖厂主要物料基本数据

从表1可知，2017/18年榨季和2018/19年榨季与煮炼回收率相关的数据中，丙糖膏纯度和赤砂糖打包量(打包赤砂糖量与蔗比)这2个指标相差较大，也就是说有 2个变量，因此比较煮炼回收率的提高或减少影响因素较复杂，本文不作比较。2017/18年榨季和 2019/20年榨季与煮炼回收率相关的数据只有赤砂糖打包量(打包赤砂糖量与蔗比)不同这一变量，本文就这个变量对煮炼回收率的影响作比较，得出赤砂糖少量打包与全部打包对煮炼回收率影响的评价结论。而2018/19年榨季和2019/20年榨季(赤砂糖均全部打包出售)与煮炼回收率相关的数据中只有丙膏纯度有明显差异这一变量，本文基于此就丙膏纯度高或低对煮炼回收率的影响作比较得出评价结论。

2.2 2017/18年榨季赤砂糖少量打包与2019/20年榨季赤砂糖全部打包的生产情况比较

2017/18 年榨季赤砂糖打包量为1425 t，打包赤砂糖量对蔗比为 0.24%，打包赤砂糖量约占全部赤砂糖量的20%，余下80%的赤砂糖全部回溶重新结晶，增加煮糖物料的处理量，处理过程会造成蔗糖的转化损失及废蜜量增加，废蜜与蔗比为 3.45%。2019/20年榨季赤砂糖全部打包，赤砂糖无需重新结晶，减少煮糖物料处理量，废蜜与蔗比为 2.82%。表2为2017/18年榨季和2019/20年榨季与煮炼回收率相关的生产实际数据。

从表2可知，2017/18年榨季和2019/20年榨季初压汁纯度和糖浆纯度有所差异，2019/20年榨季的初压汁纯度和糖浆纯度均比 2017/18年榨季分别低1.01%(绝对值)和 1.04%(绝对值)，但是煮糖的甲、乙、丙膏的纯度基本相同，2019/20年榨季糖浆纯度低相对应的废蜜纯度也低0.71%(绝对值)，如果赤砂糖的处理方法一样，按上文公式模型的结论理论上应该为2个榨季的煮炼回收率相差不大。但生产实际情况是 2019/20年榨季赤砂糖全部打包销售，赤砂糖产品无需循环处理，减少了煮糖过程的蔗糖转化等的损失，丙膏与蔗比减少0.63个百分点，废蜜与蔗比也减少 0.63个百分点，煮炼回收率达到了92.68%，比2017/18年榨季的91.26%提高了1.42个百分点。因此我们认为，在保证产品质量和煮糖制度基本一致的前提下，赤砂糖全部打包比赤砂糖小部分打包或全部回溶(套种)处理的工艺煮炼回收率更高，并且可以节约能源和罐时。

表2 2017/18和2019/20年榨季与煮炼回收率相关的生产实际数据

2.3 赤砂糖全部打包的2018/19年榨季与2019/20年榨季生产情况比较

2018/19 年榨季是景真糖厂首次采用赤砂糖全部打包出售的煮糖制度，为达到更好的产品质量要求，我们将各系糖膏的纯度适当提高，主要是煮制丙种时提高丙种纯度，丙膏纯度也相应提高至59.2%，比之前榨季的约 57%提高了 2%(绝对值)，根据式(3)的推论会造成丙膏量的增加，同时废蜜纯度也会相应提高，废蜜带走的糖分会增加。在2018/19年榨季煮糖制度的基础上，2019/20年榨季，我们对各系煮糖配料的纯度作进一步优化，特别是采取增加甲洗回煮甲糖膏的量，即高纯度物料尽量往前移，使各系的糖膏纯度相对下降，各系糖蜜也跟随有所下降，最终使丙糖膏纯度降低的煮糖制度，从而提高煮炼回收率。表 3为 2018/19年榨季和2019/20年榨季与煮炼回收率相关的生产实际数据。

表3 2018/19和2019/20年榨季与煮炼回收率相关的生产实际数据

从表3可知，2019/20年榨季甘蔗的初压汁纯度和糖浆纯度均比2018/19年榨季的低0.31%(绝对值)和0.20%(绝对值)，糖汁的纯度低说明糖汁中含糖百分率低，糖汁纯度与糖分回收率存在正相关关系，因此我们认为 2019/20年榨季的甘蔗纯度相对低些对糖分回收率的提高是不利的，然而 2019/20年榨季我们对煮糖制度稍作调整，主要是采取甲洗回煮甲糖膏的量适当增加，甲洗只能用于起种底料，其他全部回煮甲糖膏，即高纯度物料尽量往前移，使2019/20年榨季的甲糖膏与蔗比为 24.23%，比2018/19年榨季的23.57%提高0.66个百分点，并且可以使各系的糖膏纯度相对下降，各系糖蜜也跟随有所下降，最终丙糖膏的纯度从 2018/19年榨季的59.20%下降至 2019/20年榨季的 56.93%，下降2.27%(绝对值)，根据上文式(3)和(4)可知，丙膏的纯度越低，成品糖的产率越高，丙膏的量越少，表 1生产实际数据表明 2019/20年榨季丙糖膏与蔗比为4.41%，比2018/19年榨季的4.56%降低0.15个百分点，相应的废蜜纯度也从2018/19年榨季的42.59%下降至2019/20年榨季的41.23%，下降1.36%(绝对值)。废蜜与蔗比也从3.18%降至2.82%，废蜜带走的蔗糖量少，使煮炼回收率提高，2019/20年榨季煮炼回收率达到92.68%，比2018/19年榨季的91.88%提高 0.8个百分点。因此可以得到在煮糖制度基本一致的前提下，丙膏纯度越低，丙膏量越少，在丙糖结晶率基本不变的情况下煮炼回收率越高。

2.4 近3个榨季的白砂糖产品质量情况

煮糖结晶是整个制糖过程的重要工段，制定合理可行的煮糖制度，必须综合考虑产品质量，糖分回收率和经济效益等。我们认为在保证产品质量的前提下，才能追求提高糖分回收率，表4为景真糖厂近3个榨季的白砂糖质量指标。

表4 近3个榨季白砂糖质量指标

从表3可知，2018/19年榨季和2019/20年榨季采用赤砂糖打包出售的煮糖工艺后，白砂糖不溶于水杂质和二氧化硫等2项指标得到较大幅度的下降，其他指标基本保持不变，即是说产品质量得到提高，说明赤砂糖全部打包销售的煮糖制度既能提高产品质量，又能提高煮炼回收率。

3 结语

景真糖厂2018/19年榨季和2019/20年榨季在采用赤砂糖全部打包出售煮糖制度下煮炼回收率均得到提高，2019/20年榨季通过对2018/19年榨季的煮糖制度作进一步优化，甲洗回煮甲糖膏的量适当增加，即高纯度物料尽量往前移，丙膏纯度从2018/19年榨季时的59.2%降低至2019/20年榨季的56.93%，下降2.27%(绝对值)，相应的废蜜纯度下降1.36%(绝对值)，最终达到丙膏量减少和废蜜重力纯度下降的目的，煮炼回收率达到92.68%，比2018/19年榨季的 91.88%提高 0.8个百分点。2019/20年榨季相比2017/18年榨季的少量赤砂糖打包(大部分赤砂糖回溶或套种)的煮炼回收率的91.26%提高1.42个百分点。

从景真糖厂2017/18年榨季至2019/20年榨季近3个榨季的煮糖制度的不同变化可以看出，赤砂糖全部打包出售的煮糖制度对产品质量提升和煮炼回收率的提高有良好的帮助，并可以减少煮制的糖膏总量，对糖厂节约能耗和提高日处理甘蔗量有良好帮助。