2011-03-31 11:02:42 产业经济研究室
甘蔗糖厂的生产工艺简述
一、简述
在我国发现用甘蔗榨汁可以制糖，这是公元前数百年的事。最初的甘蔗糖是仅限于祭祀和宫廷贵族食用的较昂贵的奢侈品，随着生产的发展，甘蔗糖逐渐成为人们日常不可缺少的生活资料。十九世纪初欧洲才开始有甜菜制糖业，自那以后甘蔗糖与甜菜糖在互相竞争中不断地发展，并成为全球性的两大制糖工业。历史上，我国是最早发展甘蔗制糖业的国家之一，古代文献如《楚辞》、《汉书》、《七辨》、《名医别录》、《天工开物》、《本草纲目》等，都先后有我国古代种植甘蔗和制糖技术的详细记录和论述。我国产甘蔗糖的传统地区有台湾、广东、广西、四川、福建、江西、浙江。在鸦片战争以前我国曾经是一个大量出口甘蔗糖的国家。据记载，我国的甘蔗曾由鉴真和尚带到日本。鸦片战争以后，“洋”糖源源不断地涌进，外国资本还进一步在我国设厂制糖(1906年帝俄在黑龙江省的阿城开办甜菜糖厂)，致使我国原有的制糖工业倍受摧残，在国民党统治时期，官僚资本也在广东办过好几个大型的新式甘蔗糖厂(顺德、东莞、紫坭、汕头等)。我国的甘蔗制糖工业的真正发展时期是在解放以后。
二、甘蔗的种植
甘蔗原产于热带，蔗区在世界范围内的分布极广。在高温多湿、阳光充足的条件下，一年四季都可以种甘蔗。现已广泛栽培于南北纬30°内外的地区，世界上甘蔗糖业发达的国家在亚洲除我国之外，还有印度、非律宾等国，非洲有毛里求斯、南非等国，拉丁美洲有古巴、巴西、墨西哥等国，太平洋地区有澳大利亚，此外还有美国的佛罗里达和路易斯安那以及夏威夷等地区。
甘蔗的生长要受到各种自然条件的限制，其中气温及雨量这两个气象因素的影响最大。目前，世界上大面积的高产蔗区往往不在赤道附近的热带，更不在温带，而是在南北纬度的20℃等温线和南北回归线之间的亚热带。我国蔗区分布很广，地跨热带、亚热带及温带，其中以热带、亚热带及南温带为主要产区。蔗区的雨量在一年中应分布适当，当生长旺盛时，要求雨量充沛，成熟时则以少雨为宜，成熟期雨水过多，会使甘蔗含糖分下降。适宜于甘蔗生长的土壤类型是多式多样的。从国外蔗区来看，就有南非的疏松易耕的风沙土、粘板难耕的牙买加沉积性重粘土，印尼、毛里求斯、夏威夷的火山灰土，印度北部的热带黑灰土，阿联酋的海岸冲积土，南美圭亚那的海岸地粘土等。我国自台湾的望天田至大陆沿海的咸矾田，从珠江三角洲的沙围田到金沙江的河坝地，自海南岛、雷州半岛的砖红壤性土至四川的紫黑土，都是我国主要糖蔗产区的土壤条件。由此可见，甘蔗对土壤的适应性比对气候条件的适应性要大。但是，为了获得稳产高产还必须了解和掌握土壤条件对甘蔗生长发育产生影响的规律性，以便因地制宜改良土壤的物理性质及肥沃度，使它适应甘蔗各个生长段的要求。
三、甘蔗制糖的基本步骤
总体来看，甘蔗制糖的基本步骤是：原料→提汁→澄清→蒸发→煮糖与结晶→分蜜→干燥→筛分→包装→贮藏
1.提汁
我国糖厂从甘蔗提取蔗汁的方法有三种，即压榨法、渗出法及磨压法。这三种方法都要先将含有糖分的甘蔗组织细胞加以破坏。然后分别采用多重压榨、多级喷淋或挤压把糖汁抽提出来。因此，各种方法所使用的设备及其工艺条件是有区别的。
压榨法提汁是一种历史长远而且比较成熟的方法。所用的主要设备是三辊压榨机。压榨前的切蔗，称为甘蔗的预处理。我国的大、中型糖厂通常均装有两台或三台切蔗机，或切蔗机加撕裂机。用撕裂机进行甘蔗的破碎，目前国内只有少数糖厂使用，而在国外则较为普遍。
渗出法基本上是从甜菜制糖方法或工艺引过来的。实践证明甘蔗渗出法的优越性，不仅在于造价低廉、动力消耗少、运行安全、维修管理简便，而且糖分收回率也很高。因此，甘蔗提汁向渗出法方面发展是必然的。
2.澄清
目的是通过除去非糖分以提高糖汁的纯度，并降低其粘度和色值，为煮糖结晶提供优质的原料糖浆。糖厂所采用的传统澄清方法，简单说是在糖汁中添加石灰作为澄清剂，使某些非糖分沉淀析出，经过沉降和过滤，得出清汁，最后送往蒸发站蒸浓成为糖浆。
澄清处理主要有三个过程，即加热蔗汁、添加澄清剂和分离沉淀。而影响澄清的主要因素是蔗汁的pH值、加热温度和澄清时间。只有把这些因素控制好，使蔗糖分尽可能多地保留下来，同时尽可能多地除去非糖分，才能完成澄清的任务。
糖厂制糖方法一般都是根据澄清方法来命名的，而澄清方法则是依照所用的主要澄清剂而定名的。目前世界各国采用的制糖法或澄清法，主要有石灰法、亚硫酸法和碳酸法三大类。在每一类中，又依处理步骤和方式的不同，再分成不同的方法。较常见的如下列几种：第一，石灰法。其中又分冷加灰法、热加灰法、分次加灰法。第二，亚硫酸法。其中包括酸性亚硫酸法、碱性亚硫酸法、中性亚硫酸法、磷酸亚硫酸法、中间汁亚硫酸法等。第三，碳酸法。其又可分为单次碳酸法、二次碳酸法、多次碳酸法、中间汁碳酸法。
上述三类澄清方法中，基本上都要加入石灰乳和进行加热处理，不过加灰和加热都要随pH值的要求加以控制。此外，比较新的方法如离子交换法，在国外多用于生产精糖。其它如电渗析法、超滤法和离子排除法等也都在不断地发展。
石灰法只能生产出颜色较深的粗糖，而用亚硫酸法却能制得直接消费的白糖。虽然用这种方法比用碳酸法生产的白糖在洁白度和产糖率等方面都要差，但由于亚硫酸法具有工艺流程较短，设备较少和澄清剂用量较省等优点，所以在国内大、中、小型甘蔗糖厂仍被广泛采用。在国外，近十多年来，随着对精炼糖消费量的增加，许多采用亚硫酸法的糖厂都先后改为石灰法，把生产的粗糖再回溶精制。但在广大的发展中国家，亚硫酸法至今仍占有重要地位。用石灰和二氧化碳作为澄清剂来澄清蔗汁的方法叫碳酸法。碳酸法所除的非糖物比亚硫酸法多，总收回率也比较高，且所制得的成品糖的纯度较高，色值较低，能久贮不致变色。但是，碳酸法也有一些缺点，如工艺流程比较复杂，需用机械设备较多；还要耗用大量石灰和二氧化碳，因而生产成本较高。特别是在糖厂离开石灰石产地较远的地区，碳酸法的推广受到一定的限制。
3.蒸发
煮糖前须采用多效蒸发操作浓缩糖汁，糖汁蒸发时，其中蔗糖、还原糖及其它非糖分，在温度、pH值以及浓缩等条件的影响下，会发生一系列的化学变化。例如：蔗糖转化和焦化，还原糖分解，积垢的产生等，必须研究这些化学变化的规律，以便更好地控制。
总的来说，蒸发工段必须满足制糖工艺及热力利用等多方面的要求。第一，保证糖浆浓度。第二，减少糖分损失。第三，减缓积垢的形成速率。第四，提高热能利用，减少热能损失。
4.煮炼
从末效蒸发罐出来的粗糖浆，再经过二次硫熏，除饱和过滤，以达到漂白和进一步澄清的目的。经过二次硫熏处理的糖浆，称为清净糖浆，一般尚含有35％— 45％的水分。还须进一步浓缩煮制至有蔗糖晶体析出，并使晶粒长到大小符合要求。这一操作过程，叫做煮糖(或结晶)。所煮得的蔗糖晶体与糖液(母液)的混合物叫做糖膏。糖膏自煮糖罐卸入助晶机，经逐渐降温的过程，帮助晶体继续长大，使蔗糖析出更加完全，这叫做助晶。将助晶后的糖膏送入离心机，使晶粒与母液分离，叫做分蜜。将白砂糖用热空气或其他方法除去水分至符合要求的含水量，叫做干燥。干燥后的砂糖按规格大小用筛分类，叫做筛分。筛分后的合格砂糖便可装包作为成品，分离出的糖蜜可作为下一级糖膏的原料，继续煮炼到最末一级称为废蜜，即副产品。
煮糖、助晶、分蜜、干燥、筛分和包装等一系列工序是糖厂生产的最后工段，即煮炼工段。这一工段工作的好坏，对产品质量和糖分回收影响极大。
煮糖与助晶都是蔗糖的结晶过程。助晶是结晶过程的继续。糖膏在煮制的末期，尤其是末段糖膏，晶体含量已达到一定程度，母液浓度又高，纯度又低，因此糖膏非常粘稠，结晶速度特别缓慢，普通的煮糖罐已不能顺利地完成结晶任务，需要将此糖膏移入助晶机内进行助晶，使晶粒尽可能地吸收母液中的糖分而长大，完成结晶任务。
助晶原理：靠温度的降低维持或提高母液的过饱和度，并有足够的时间让晶体与母液接触。
5.分蜜
分蜜就是借助于离心机快速旋转时产生的离心力的作用，将糖蜜甩出去，而蔗糖晶体则因筛网的阻挡而留在筛篮里。
6.干燥
从离心机出来的白砂糖，尚含有0.5％— 2.0％的水分，还需经过干燥和冷却，才能包装及贮藏，否则易潮解、结块变质，使糖不能久存。
砂糖所含水分，将影响砂糖贮存过程的质量变化。在高浓度的糖液中，微生物是不能繁殖的。因此，砂糖晶粒表面残留糖蜜液膜中的非蔗糖分(非旋光度)对水的比例，将对砂糖的质量变化起决定作用。也就是说糖蜜液膜的高渗透压将能抑制微生物的生长。通常，将水分对非蔗糖分的比值称为“安全因素”(SF)。
目前，糖厂中分离杂糖时多采用蒸汽洗的办法，这样从离心机卸出的白砂糖，温度约为80℃，含水分约为0.5％，可以利用砂糖从80℃降至室温时本身放出的热量将其所含的自由水分汽化，使达到要求的砂糖水分含量标准，节省了空气加热设备和鼓风设备。
如采用无汽洗分蜜，则白砂糖的温度较低(50—60℃)而水分较高(约2％)，这样，在南方潮湿气候条件下就需要用热空气将砂糖干燥，否则，难以保证产品质量。利用冷空气和热砂糖的温度差进行自然冷却，使湿砂糖的水分蒸发除去，直至砂糖与周围空气的温度和湿度相平衡，这种方法称为自然干燥。而将空气预热，用热空气作为干燥介质，使砂糖的微量水分干燥除去的方法，称为热空气干燥。自然干燥方法已在许多糖厂被采用，效果较好，缺点是干燥时间长，而且在离心分蜜时一定要采用汽洗，以提高砂糖温度和降低砂糖含水分，否则将会影响干燥效能。热空气干燥方法，由于干燥时间短，可缩短干燥机的长度，而且成品白砂糖的水分也易于控制，因此，仍被一些糖厂采用。
目前，国外常用的干燥冷却机有：回转百叶窗式(亦称无抄板转筒式)干燥冷却机，立式干燥冷却机和沸腾床(亦称流动床)干燥冷却机三种。
7.筛分
从干燥机出来的砂糖带有不少团块和糖粉等，晶粒大小不一。为了保证产品质量，所以需经过筛选分级处理，同时在筛选过程还可使砂糖充分冷却，以利包装、贮藏。
糖厂常用的筛选机为机械震动式筛选机，在机面上装有不同规格的筛网，筛网的装法各厂不一，一般前面的筛孔较小，后面逐渐增大。筛分所得的太小的砂糖和结成团的糖块，工厂俗称糖头与糖尾，要回溶，不能作成品出厂。
在国外，对机械震动式筛选机作了改进，弹性摇臂已不再用木板条制成，改用弹簧圈，最新的改用橡胶柱，这样不仅结构简单，便于安装维修，而且设备的高度也可以降低。除机械震动式筛选机外，国外还采用电磁震动式筛选机和回转式筛选机。
8.包装
经过筛分后的白砂糖，由贮糖斗卸入糖袋，进行包装。目前，我国甘蔗糖厂生产的白砂糖 都用塑料编制袋包装，并应将粗、中、细粒白砂糖分别包装，每包50公斤。在大型糖厂已实现包装机械化、自动化、即在贮糖斗下装有杠杆式自动称，当糖袋装满50公斤后就自动停止装糖，然后由输送带将糖包送至自动称再行校正重量，接着经机械自动缝包机进行缝口，然后由输送带运入仓库贮藏。
9.贮藏
对砂糖的贮藏有一定的工艺要求，否则会因保管不妥而发生潮解、结块、酸败或变色等事故，影响产品质量。
在贮藏过程中砂糖发生结块的原因主要是砂糖含水分太高(超过1％以上)，这往往是由于干燥、包装和仓库温度、湿度控制不正常而产生的。在干燥过程中糖层厚度控制不正常，使砂糖含水分不均匀，包装入库后会引起砂糖局部结块。砂糖尚未充分冷却就进行包装和入库，入库后与仓库温差大，使砂糖吸收空气中的水分而产生结块。此外，如果糖包堆放太高，压力大，也会造成结块。酸败的原因是由于水分的存在和微生物作用。白砂糖发黄这是因为用亚硫酸还原漂白的砂糖，久藏后由于空气的氧化而使砂糖变色发黄。为了防止砂糖在贮藏过程中发生变质，对糖仓地址的选择和糖仓的建筑应有一定要求，而且应有一套贮藏管理制度。
四、蔗糖的结构与性质
蔗糖是由葡萄糖及果糖各一个分子脱水缩合而成的非还原性的双糖。
1.蔗糖的物理性质
蔗糖极易溶于水，其溶解度随温度的升高而增大。蔗糖还易溶于苯胺、氮苯、乙酸乙酯、乙酸戊酯、熔化的酚、液态氨、酒精与水的混合物及丙酮与水的混合物，但不能溶于汽油、石油、无水酒精、三氯甲烷、四氯化碳、二硫化碳和松节油等有机溶剂。蔗糖属结晶性物质。纯蔗糖晶体的比重为1.5879，蔗糖溶液的比重依浓度和温度的不同而异。
2.蔗糖的化学性质
蔗糖及蔗糖溶液在热、酸、碱、酵母等的作用下，会产生各种不同的化学反应。反应的结果不仅直接造成蔗糖的损失，而且还会生成一些对制糖有害的物质。
2.1热分解作用
结晶蔗糖加热至160℃，便熔化成为浓稠透明的液体，冷却时又重新结晶。加热时间延长，蔗糖即分解为葡萄糖及脱水果糖。在190—220℃的较高温度下，蔗糖便脱水缩合成为焦糖。焦糖进一步加热则生成二氧化碳、一氧化碳、醋酸及丙酮等产物。在潮湿的条件下，蔗糖于100℃时分解，释出水分，色泽变黑。
蔗糖溶液在常压下经长时间加热沸腾，溶解的蔗糖会缓慢分解为等量的葡萄糖及果糖，即发生转化作用。蔗糖溶液若加热至108℃以上，则水解迅速，糖溶液浓度愈大，水解作用愈显著。煮沸容器所用的金属材料，对蔗糖转化速率也有影响。例如：蔗糖溶液在铜器中的转化作用，远比在银器中的大，玻璃容器几乎没有什么影响。
2.2酸的作用
蔗糖溶液为酸性时，蔗糖转化更快。浓酸对糖液的分解作用更大，如浓硫酸能使固体蔗糖迅速脱水，焦化成为黑色产物。在纯蔗糖溶液中，只要有少量的游离酸存在，就能使蔗糖的转化作用迅速进行。但是，对于压榨蔗汁中的蔗糖来说，情况就不是这样。因为蔗汁中含有弱酸的中性盐会抑制蔗糖的转化。
2.3碱的作用
稀碱溶液如氢氧化钙，氢氧化钾及钠的溶液，甚至在煮沸的情况下也不会使蔗糖分解。浓碱溶液加在糖液中加热时蔗糖分解成糠醛、丙酮、乳酸、乙酸、甲酸、二氧化碳等产物。分解程度及产物种类视氢氧离子浓度及温度而定。蔗糖能与中等浓度的碱化合生成碱性的蔗糖盐。
2.4盐类的作用
水中同时有蔗糖与盐类存在时，它们的溶解度都要发生变化，变化的程度取决于双方的浓度和盐类的性质。
2.5氧化作用
蔗糖燃烧或在生物氧化中，都产生二氧化碳及水，在中性或酸性的溶液中，高锰酸钾可使蔗糖氧化成二氧化碳、甲酸、乙酸及草酸，但在碱性条件下，只能部分地变为草酸及二氧化碳。
2.6微生物对蔗糖的作用
蔗糖的稀薄溶液易受微生物的感染，但感染机会随糖汁增浓而减少。此外还跟糖汁的温度及pH值有关。一般微生物繁殖的最适温度都在30—45℃之间，而加热到80℃时则多数微生物都能被抑制或杀灭。
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