糖廠糖分回收率影響因素研究
——基于熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法

劉桂云，柳穎，黃玉南，蟻細(xì)苗，曾練強(qiáng)，鐘志才，常國煒，梁達(dá)奉

(廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業(yè)研究所) 廣東省酶制劑與生物催化工程技術(shù)研發(fā)中心，廣州 510316)

1 概述

糖分回收率是衡量糖廠甘蔗管理和生產(chǎn)技術(shù)水平的一項重要指標(biāo)，正確評價和分析各個因素對于結(jié)果的影響程度，有助于糖廠提出合理措施，高效提高回收率生產(chǎn)實績。目前國內(nèi)外許多學(xué)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]認(rèn)為對甘蔗預(yù)處理可以提高糖分回收率，鐘志才等[2]在甘蔗制糖過程中應(yīng)用葡聚糖酶使煮煉回收率提高；從統(tǒng)計學(xué)方面研究生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)與糖分回收率之間關(guān)系的報道還較少，使糖廠在面對糖分回收率低的問題時缺乏相應(yīng)的理論支撐。

灰色關(guān)聯(lián)分析法是一種根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似度來判斷不同數(shù)列之間的差異性和關(guān)聯(lián)程度的方法，已被應(yīng)用于因素分析、綜合評價、方案決策等研究領(lǐng)域[3]。同時，信息熵可用于計算指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)[4]，有效避免主觀因素形成的權(quán)重分配偏差。因此，基于熵權(quán)法和灰色關(guān)聯(lián)法，本文對廣西某亞硫酸法糖廠6個榨季糖分回收率和相關(guān)生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為糖廠生產(chǎn)管理和提高糖分回收率提供了決策依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于某糖廠2012/2013～2017/2018榨季生產(chǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)根據(jù)各項指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計方法得到。

2.2 指標(biāo)選擇

根據(jù)亞硫酸糖廠的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗及日常化學(xué)管理指標(biāo)，從甘蔗質(zhì)量、壓榨、澄清(包括輔助用料)、結(jié)晶、糖分損失5個方面考慮選擇甘蔗蔗糖分、初壓汁純度、初壓汁錘度、甘蔗纖維分、滲透水量(對蔗比)、初混汁純度差、清混汁純度差、丙膏純度、糖蜜純度、糖蜜量(對蔗比)、磷酸用量(有效五氧化二磷對蔗比)、硫磺用量(對蔗比)、石灰用量(對蔗比)、未測定損失、蔗渣轉(zhuǎn)光度、濾泥轉(zhuǎn)光度指標(biāo)。

2.3 熵權(quán)法確定權(quán)重

2.3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化前需區(qū)分正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)，指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化方法如下：

(1)

(2)

2.3.2 第j項指標(biāo)第i年份指標(biāo)值的比重(Pij)

(3)

2.3.3 指標(biāo)信息熵(ej)

(4)

2.3.4 第j項指標(biāo)的權(quán)重(Wj)

(5)

式中：dj為第j項指標(biāo)的信息效用值，取決于該指標(biāo)信息熵ej與1之間的差值，即 dj=1-ej。

2.4 灰色關(guān)聯(lián)分析法

2.4.1 選擇參考序列和比較序列

本文選擇糖分總回收率作為參考序列，選取的指標(biāo)作為比較序列。設(shè)參考序列為X0'，X0'={x0'(1)，x0'(2)，…，x0'(n)}，比較序列為Xi'，Xi'={xi'(1)，xi'(2)，…，xi'(n)}，i=1，2，…，m。

2.4.2 參考序列和比較序列的無量綱化

為避免系統(tǒng)中各因素量綱與量級不同無法進(jìn)行比較，需對評價指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使指標(biāo)之間可以直接比較，本文采用初值化的處理方法。

(6)

2.4.3 求關(guān)聯(lián)系數(shù)

利用參考序列和比較序列標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，求關(guān)聯(lián)系數(shù)，公式為：

(7)

式中：ξi(k)為比較序列Xi'的第 k個指標(biāo)與參考序列X0'的第 k個指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)；ρ∈[0，1]為判別系數(shù)，用來削弱最大值過大而失真的影響，提高關(guān)聯(lián)系數(shù)間的差異顯著性，通常取ρ=0.5。

2.4.4 求灰色關(guān)聯(lián)度

(8)

式中：當(dāng)0

2.5 求加權(quán)關(guān)聯(lián)度

(9)

式中：W(k)為公式(5)確定的各影響因素權(quán)重，k=1,2,…,n。

3 結(jié)果分析

各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)見表1。

表1 糖廠2012/2013～2017/2018榨季糖分總回收率與生產(chǎn)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)

續(xù) 表

由表1可知，在糖廠6年生產(chǎn)期間，糖廠糖分回收率呈現(xiàn)波動性變化，單從每個指標(biāo)分析，很難發(fā)現(xiàn)影響糖分回收率的主要因素。

3.1 指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定

對選取的正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)分別采用公式(1)和公式(2)計算，再根據(jù)公式(3)進(jìn)行規(guī)范化處理，利用公式(4)計算熵權(quán)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)算得各指標(biāo)的權(quán)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 關(guān)聯(lián)度計算

以糖分總回收率為參考序列，根據(jù)公式(6)對糖分總回收率與選取的生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行初值化法處理，并根據(jù)公式(7)計算糖分總回收率與生產(chǎn)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，計算結(jié)果見表2。

表2 糖分總回收率與生產(chǎn)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)

將表2的關(guān)聯(lián)系數(shù)帶入公式(8)和公式(9)，分別得到該糖廠糖分回收率與各影響因素之間的灰色關(guān)聯(lián)度、加權(quán)關(guān)聯(lián)度及排序，結(jié)果見表3。

表3 灰色關(guān)聯(lián)度、加權(quán)關(guān)聯(lián)度及排序

4 結(jié)論與討論

由表3可知，除了未測定損失外，選取的生產(chǎn)指標(biāo)與糖分總回收率的灰色關(guān)聯(lián)度都在0.650以上，可見糖分回收率是甘蔗與制糖生產(chǎn)過程中諸多因素相互作用的結(jié)果。從個體分析來看，灰色關(guān)聯(lián)度排名第一的為初壓汁純度，其次是初壓汁錘度、滲透水量和糖蜜純度。此外，灰色關(guān)聯(lián)度較大(≥0.9)的還包括甘蔗蔗糖分、蔗渣轉(zhuǎn)光度、甘蔗纖維分、糖蜜量和丙膏純度。

從加權(quán)關(guān)聯(lián)度分析來看，影響糖分回收率的前5位因素分別為初壓汁純度、糖蜜純度、滲透水量、糖蜜量、丙膏純度，綜合上述，可見這5個指標(biāo)仍然是重要的影響因素，只是順序略有變動。通過因素組合及對比分析，與糖分回收率聯(lián)系比較緊密的因素主要集中在甘蔗質(zhì)量、結(jié)晶及壓榨工藝技術(shù)方面，而澄清效果及糖分損失對糖分回收率也有一定程度的影響。具體分析如下：

4.1 甘蔗質(zhì)量

初壓汁加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序第一，是影響糖廠糖分回收率的首要因素。蔗汁純度高，即蔗汁中非糖分物質(zhì)相對較少，澄清與結(jié)晶過程更為順暢，糖分易被回收，且根據(jù)糖蜜形成理論，非糖分存在與糖蜜的形成有重要關(guān)系，因此提高蔗汁純度是提高糖分回收率最有效的舉措。Shahzad S等[6]也研究發(fā)現(xiàn)甘蔗品質(zhì)性狀中純度指標(biāo)對糖分回收率直接影響最大。甘蔗糖分及初壓汁錘度加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序在第六和第十一，說明這2個指標(biāo)對糖分回收率有一定影響，但較初壓汁純度作用有所降低。甘蔗蔗糖分及初壓汁錘度雖是糖廠產(chǎn)糖率的重要參數(shù)指標(biāo)，但在甘蔗或蔗汁質(zhì)量下降過程中這3個指標(biāo)則會相互聯(lián)系[7-9]，表現(xiàn)為蔗糖分轉(zhuǎn)化損失，錘度上升，使得蔗汁純度下降。

纖維分的加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序第十，纖維分對糖分回收率影響主要作用在壓榨抽出率，甘蔗纖維分常作為調(diào)節(jié)滲透水量的參考依據(jù)之一，且蔗渣糖分損失和纖維分有很大關(guān)系。

4.2 工藝技術(shù)

工藝技術(shù)的合理與否影響著能否將甘蔗中糖分最大限度提取、結(jié)晶出來，對應(yīng)的是制糖生產(chǎn)中的壓榨和蔗糖結(jié)晶工藝。壓榨工藝方面，滲透水用量是影響壓榨抽出率的一個重要指標(biāo)。研究表明[10]當(dāng)滲透水量與纖維量之比λ小于2時，抽出率會迅速增加，而該糖廠6個榨季λ值偏小，這是滲透水量加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序第三的重要原因。初混汁純度差是壓榨車間一個綜合性指標(biāo)，體現(xiàn)的是車間清潔衛(wèi)生管理、壓榨機(jī)列效能和輔料質(zhì)量等，本文中初混汁純度差對糖分回收率的作用不突出，而結(jié)合未測定損失指標(biāo)排序，說明糖廠壓榨車間的衛(wèi)生管理到位。蔗糖結(jié)晶方面，糖蜜純度、糖蜜量和丙膏純度加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序都在前五，而結(jié)晶一直是糖廠回收蔗汁中蔗糖最難且重要的一環(huán)，涉及的因素比較多，糖漿質(zhì)量、人員操作、煮糖制度等方面都影響煮煉回收率[11]。目前，很多糖廠常采取措施希望降低丙膏純度和糖蜜純度以提高回收率，一定條件下，降低兩者純度對提高糖分回收率是有益的，但丙膏純度過低，糖膏粘度大，糖分吸收困難，糖蜜純度可能會下降，但糖蜜量往往增加，反而增加糖分損失，黃俊生等[12]指出應(yīng)制定低純度糖蜜和合理丙膏純度。

此外，澄清輔料用量加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序在第七、第八、第九，說明糖分回收率對輔料用量有一定依賴作用，合理的輔料用量可提高澄清效果，為蔗糖結(jié)晶過程打下基礎(chǔ)。清混汁純度差指標(biāo)排序靠后，主要是因為甘蔗純度高、非糖分少時，清混汁純度差會相應(yīng)降低，糖分回收率依然可以很理想，該糖廠2013/2014榨季就說明了這一點，而這也表明清混汁純度差并不是澄清效果的特征指標(biāo)。

4.3 糖分損失

未測定損失、蔗渣和濾泥轉(zhuǎn)光度加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序較后，它們在蔗糖損失中占比較小。未測定損失主要是生產(chǎn)過程中“跑、冒、滴、漏”及蔗糖轉(zhuǎn)化等引起的糖分損失，值得注意的是，微生物造成的糖分損失常常是糖廠容易忽略的[13]，微生物在消耗蔗糖的同時，還會伴隨一些多糖形成，造成溶液粘度增加，降低蔗糖的回收率。

5 展望

糖分收回率與甘蔗原料質(zhì)量、工藝技術(shù)及糖分損失等因素有關(guān)，從這幾個方面入手對提高糖分回收率有良好的促進(jìn)作用。其中，甘蔗純度對糖分回收率的影響最為突出，因此需合理安排榨期，盡量保持砍后甘蔗新鮮和降低甘蔗含雜率[14,15]，避免化學(xué)作用和微生物作用引起的蔗糖轉(zhuǎn)化損失；制定合理工藝技術(shù)，尤其是在壓榨及結(jié)晶方面，在蒸汽充足的情況下，可適當(dāng)增加滲透水量；合理控制丙膏純度，從煮糖操作和管理等方面降低糖蜜純度和糖蜜量；澄清過程處于制糖生產(chǎn)中間階段，主要作用是為結(jié)晶提供高質(zhì)量物料，因此通過合理輔料用量提高清凈效果也是提高糖分回收率的有效途徑；整體上看，抓住影響糖分回收率的主要矛盾有利于更好指導(dǎo)管理生產(chǎn)，但制糖生產(chǎn)各個工藝緊密相聯(lián)，抓好每個環(huán)節(jié)才能使糖分回收率最大化。除此之外，利用新技術(shù)、新設(shè)備也是提高糖分回收率的一個重要方向[16]。

通過熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法分析糖廠糖分回收率的影響因素結(jié)果基本符合糖廠的生產(chǎn)實際，說明該方法是可行的且適用性較高。