甘蔗收獲機械化的制糖工藝思考

潘莉莉，石寶雄，周 昊，李 文，謝彩鋒，李 凱,6,7

(1廣西大學糖業(yè)及綜合利用教育部工程研究中心，廣西南寧530004；2蔗糖產(chǎn)業(yè)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西南寧530004；3廣西制糖學會，廣西南寧530004；4廣西扶南東亞糖業(yè)有限公司，廣西崇左532200；5廣西民族大學化學化工學院，廣西南寧530006；6廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530004；7廣西綠色制糖工程技術(shù)研究中心，廣西南寧530004)

0 引言

傳統(tǒng)甘蔗生產(chǎn)模式主要依靠勞動力和工具，勞動用工量大，生產(chǎn)效率低，成本高。隨著農(nóng)業(yè)勞動力結(jié)構(gòu)失衡的加劇、勞動力成本的逐年上升以及制糖企業(yè)規(guī)模的擴大，現(xiàn)有的勞動力資源已然不能滿足制糖企業(yè)對甘蔗生產(chǎn)的需要，甘蔗生產(chǎn)全程機械化成為必然趨勢[1-2]?！秶鴦?wù)院關(guān)于加快推進農(nóng)業(yè)機械化和農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導意見》(國發(fā)〔2018〕42號)明確指出，到2020年“棉油糖、果菜茶等大宗經(jīng)濟作物全程機械化生產(chǎn)體系基本建立”，2025年“甘蔗收獲機械化率達到30%”。然而，隨著甘蔗生產(chǎn)全程機械化進程的推進，發(fā)現(xiàn)入榨甘蔗夾雜物量較傳統(tǒng)人工收獲大幅增加，給現(xiàn)行的制糖生產(chǎn)工藝帶來了新的挑戰(zhàn)，制糖工藝應(yīng)如何變革以適應(yīng)甘蔗生產(chǎn)全程機械化進程的步伐，成為全行業(yè)關(guān)注和熱議的焦點。

1 甘蔗生產(chǎn)機械化現(xiàn)狀概述

現(xiàn)有的甘蔗生產(chǎn)機械化技術(shù)主要有：蔗地深耕深松、種植、中耕施肥培土、植保、排灌、收獲、蔗葉粉碎還田等。目前，歐美等發(fā)達國家的甘蔗生產(chǎn)已基本實現(xiàn)甘蔗生產(chǎn)全程機械化，日本、巴西、菲律賓、南非等國也在較大程度上實現(xiàn)了機械化[3]。我國于上世紀六七十年代開始大力推動和發(fā)展甘蔗生產(chǎn)機械化，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，甘蔗生產(chǎn)機械化水平取得了長足的進步。然而截至 2018/19年制糖期，根據(jù)國家糖料產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，我國甘蔗生產(chǎn)綜合機械化率僅為48%，其中機耕率和機種率分別達到87%、41%，機收率不足5%；即使在甘蔗種植面積和食糖產(chǎn)量占據(jù)全國60%以上的廣西[4]，甘蔗生產(chǎn)機耕率綜合機械化率也僅為60.41%[5]，機耕率和機種率分別達到 96.92%、58.57%，“雙高”基地機收率亦不足10%(表1)。從目前來看，我國甘蔗生產(chǎn)機械化水平雖較以往有了較大提高，但距離《國務(wù)院關(guān)于加快推進農(nóng)業(yè)機械化和農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導意見》2025年“甘蔗收獲機械化率達到30%”的目標仍有較大差距。

表1 2018/19年制糖期我國甘蔗生產(chǎn)機械化水平

甘蔗生產(chǎn)全程機械化的推廣應(yīng)用需滿足3大條件：一是需要性能過關(guān)、適用性強的機械化機具；二是機械化收獲的效益滿足種植戶要求；三是機械化收獲的甘蔗質(zhì)量符合制糖企業(yè)要求。隨著甘蔗生產(chǎn)機械化進程快速推進以及人工收獲費用的大幅度提高，前兩大條件已在較大程度上得到了解決；目前主要瓶頸在于機收蔗質(zhì)量對制糖工藝產(chǎn)生較大沖擊，嚴重影響制糖企業(yè)白砂糖產(chǎn)品質(zhì)量及糖分收回。

2 甘蔗制糖工藝現(xiàn)狀

2.1 制糖工藝現(xiàn)狀概述

國際上，甘蔗制糖生產(chǎn)的工藝路線可分為2種：一是經(jīng)過提汁、清凈、濃縮、結(jié)晶、篩分干燥等工序直接生產(chǎn)商品砂糖的生產(chǎn)過程，只有一次結(jié)晶，稱之為“一步法”；另一種是先按上述工藝制成原糖，再回溶進行精制加工制成精煉糖或高等級白砂糖，包含2次結(jié)晶故稱為“二步法”。

從甘蔗提取的蔗汁成分非常復雜，除目標提取物蔗糖(占10%～19%)外，還含有各種無機和有機的非糖雜質(zhì)(占1%～4%)，需進行清凈處理，清凈工藝是決定最終產(chǎn)品種類和質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]?！耙徊椒ā敝铺枪に囈话阋猿吻宸椒▉砻吻宸椒▌t依據(jù)所用的主要澄清助劑命名。目前，世界各國采用的傳統(tǒng)制糖工藝方法主要有石灰法、亞硫酸法、碳酸法3大類，膜分離法因其優(yōu)異的分離效率近年來逐漸為制糖行業(yè)所應(yīng)用[7]。各制糖工藝方法的主要生產(chǎn)步驟及涉及的澄清助劑如表2所示。

表2 現(xiàn)有的制糖工藝方法步驟要素

2.2 “一步法”工藝簡介

2.2.1 石灰法工藝

石灰法是以石灰為主要澄清助劑的糖汁清凈方法，其原理是利用CaO微粒帶正電，與負電膠體產(chǎn)生脫穩(wěn)凝聚而電中和沉淀，生成蔗糖鈣鹽起到中和有機酸、沉淀及凝聚非糖分、分解非糖分的作用，清凈效率約為 3%～8%。其流程短、糖汁停留時間不長，過程污染及能耗低，生產(chǎn)能力相較亞硫酸法、碳酸法提高約 20%～30%；然而，該方法沉淀不夠結(jié)實，泥汁體積大，清汁導出困難，澄清過程分解的色素以及蒸發(fā)、結(jié)晶過程中形成的色素無法去除，僅能生產(chǎn)色澤較深的原糖。

2.2.2 亞硫酸法工藝

亞硫酸法是用石灰和二氧化硫作為澄清劑的糖汁清凈方法。目前普遍采用的磷酸亞硫酸法還適當加入了磷酸或可溶性磷酸鹽作為輔助澄清劑，其原理是利用SO2、Ca2+和水結(jié)合生成CaSO3，吸附膠體非糖分，抑制色素的生成，可生成沉淀而除去；利用磷酸與鈣離子反應(yīng)生成 Ca3(PO)2，吸附大量可溶性鈣鹽，微粒與鈣離子架橋作用形成絮凝物，捕集懸浮雜質(zhì)，沉降去除，清凈效率隨過程均衡性波動較大，一般在3%～16%之間。亞硫酸法的工藝流程短、設(shè)備簡單、澄清效率較高，可在一定范圍內(nèi)通過改變工藝適用于各種不同性質(zhì)的蔗汁，但其清凈效率不理想、除去非糖分不多，清汁鈣鹽含量高、灰分高，蒸發(fā)積垢嚴重，白砂糖含色素和有機物偏高，貯存時易變黃吸濕，難以滿足高檔飲料糖的需求。

2.2.3 碳酸法工藝

碳酸法是以石灰和二氧化碳作為澄清劑的糖汁清凈方法，其原理是大量加灰使蔗汁pH值達到11，使膠體達到等電點凝聚，同時二氧化碳與石灰生成CaCO3，吸附除去可溶性鈣鹽、膠體物及色素物，清凈效率約為 20%～45%。該法清凈效率高，所得產(chǎn)品砂糖蔗糖分高、色值低、不溶于水雜質(zhì)少、品質(zhì)佳；然而，該方法流程較長、設(shè)備投資大、澄清助劑用量大、高堿過程易破壞還原糖而增色，所產(chǎn)堿性濾泥無法處理，其資源及環(huán)保壓力大。

2.2.4 膜分離工藝

膜分離工藝是近年綠色制糖研究的熱點，利用特定膜的物理篩分作用，在某一驅(qū)動力的作用下達到分離水溶液中的液體、分子或離子，實現(xiàn)凈化或濃縮被分離物，其驅(qū)動力是膜兩側(cè)的壓力差、電位差、濃度差[8]。清凈效率因膜孔徑及操作條件而異[9-10]，可在3%～60%調(diào)節(jié)。目前膜分離技術(shù)應(yīng)用于制糖生產(chǎn)中，一般添加少量石灰以中和糖汁，避免因糖汁原本的酸性環(huán)境使蔗糖轉(zhuǎn)化。膜分離工藝具有工藝流程短、糖汁停留時間短、設(shè)備簡單、無/少量添加化學助劑、糖分損失少、節(jié)能環(huán)保，可在較大范圍內(nèi)適用各種不同性質(zhì)的蔗汁，實現(xiàn)澄清自動控制等優(yōu)點，但其對預處理要求較高，設(shè)備一次性投入較大，同時其濃縮液應(yīng)用正處于探索階段，大規(guī)模應(yīng)用尚需時日。

2.3 “二步法”工藝簡介

“二步法”通常先采用石灰法生產(chǎn)原糖，然后原糖重新溶解經(jīng)CO2飽充澄清或樹脂脫色脫鹽，再一次結(jié)晶生產(chǎn)精制糖或高等級白砂糖。其優(yōu)點是經(jīng)二次澄清除雜和二次結(jié)晶提純后產(chǎn)品質(zhì)量高，能滿足高檔飲料糖的消費需求，同時制糖過程污染物較少，有利于環(huán)境保護；但相對于“一步法”，其生產(chǎn)流程長，設(shè)備投資大，能耗大，存在糖分損失，產(chǎn)品成本相對增加。

表3 “一步法”和“二步法”制糖工藝對比

2.4 現(xiàn)行制糖工藝應(yīng)用情況

“二步法”制糖雖較“一步法”能源消耗大、生產(chǎn)成本略有增加，但產(chǎn)品質(zhì)量高、能適應(yīng)規(guī)?；⒓s化生產(chǎn)等優(yōu)勢使其廣為國外制糖企業(yè)應(yīng)用，兩工藝方法對比見表 3。據(jù)了解，全球有 100多個國家或地區(qū)種蔗制糖，制糖加工工藝技術(shù)均屬于化學法，國外以“二步法”為主，僅有印度和緬甸的部分國內(nèi)消費食糖采用“一步法”工藝生產(chǎn)，而我國普遍使用“一步法”亞硫酸工藝(全國僅有1家甘蔗制糖企業(yè)采用碳酸法)。

3 制約甘蔗收獲機械化進程的制糖工藝因素

3.1 機械化收獲甘蔗質(zhì)量情況

人工收獲與機械化收獲甘蔗的物料形狀、含雜等均有較大差異。傳統(tǒng)的人工收獲模式下，甘蔗收獲的外觀質(zhì)量要求為：蔗梢削至生長點下明顯見肉、蔗頭不帶“煙斗頭”、剝?nèi)フ崛~，其含雜率一般為0.2%～3%；機械收獲方式下，切斷式甘蔗收獲機的作業(yè)質(zhì)量要求為含雜率≤8%，但由于其作業(yè)特性及環(huán)境因素等綜合影響，含雜率一般為7%～20%，如遇雨天或潮濕天氣，機收甘蔗質(zhì)量更差，黏土蔗區(qū)甘蔗含雜率可高達25%[11]。

機械化收獲的甘蔗中帶有的夾雜物的種類有：蔗梢、蔗葉、蔗尾、蔗蔸、泥土、沙石、鐵器等。其中蔗葉、蔗蔸可通過除雜系統(tǒng)部分去除，蔗尾/梢隨蔗莖進入主流程，在加工過程中溶解出多酚、氨基氮等致色物質(zhì)及膠體物質(zhì)，迫使制糖生產(chǎn)過程須采用添加大量澄清劑的工藝以達到相應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量要求；泥土、沙石、鐵器等則僅少量可篩濾去除，大部分則通過沉淀池沉降進入濾泥中。

3.2 機械化收獲甘蔗對制糖各工序的影響

機械化收獲的甘蔗所帶來的夾雜物對現(xiàn)有制糖過程的各個工序都會產(chǎn)生不同程度的不良影響，甚至會帶來毀滅性的破壞，迫使制糖生產(chǎn)中斷[12]。

3.2.1 壓榨工序

(1)加速撕解機蔗刀和榨輥、泵閥等的磨損：由于夾雜物中含有大量泥沙及部分鐵器，撕解機刀尖及榨輥、泵閥等磨損加快。

(2)易引起蔗料在輸蔗帶上打滑：因分段砍收甘蔗進入蔗槽后密度增大及切面增多，經(jīng)撕解機破碎后蔗絲變結(jié)實、蔗汁流淌，蔗料易在輸蔗帶上打滑。

(3)增加能耗：機械收獲甘蔗所帶來的夾雜物使得設(shè)備負荷加大，尤其所夾帶的鐵器、泥沙使設(shè)備能耗急劇增加，尖峰負荷甚至使設(shè)備超負荷運行，影響使用壽命。

(4)堵塞管道：機械收獲甘蔗含有的泥沙隨物料進入混合汁箱，泵送過程中易使輸送泵和管道堵塞。

(5)設(shè)備運行安全率下降：由于夾雜物造成的設(shè)備磨損使設(shè)備持蔗能力下降，物料無法向前輸送而引起堵塞；以及由于夾帶的泥沙堵塞泵和管路，會導致設(shè)備運行安全率下降。

3.2.2 澄清工序

機械收獲帶來的蔗葉、蔗梢等夾雜物進入到澄清工序后，在高溫的作用下加速溶解出大量多酚、氨基氮、膠體等雜質(zhì)，使蔗汁色澤加深、粘度加大，加大澄清助劑用量可起一定的澄清作用，但效果有限，清汁色值高；所帶來的泥、沙等物質(zhì)在沉淀池中主要依靠重力作用下沉，大部分細小微粒在沉淀池中呈懸浮狀態(tài)，使清汁渾濁不清。

3.2.3 蒸發(fā)工序

澄清工序未能去除的非糖分物質(zhì)以及未完全反應(yīng)的澄清助劑在蒸發(fā)工序被濃縮，在加熱面上析出，形成大量積垢，使得傳熱性能下降，增加能耗。

3.2.4 煮糖工序

煮糖原料糖漿色值高、膠體量大，糖膏煮制吸收效果差、耗時長，產(chǎn)品質(zhì)量差；糖分收回下降，最終糖蜜量增加。

3.2.5 鍋爐車間

機收甘蔗中泥沙等物質(zhì)混雜在蔗渣中，進入鍋爐易堵塞爐排和空氣預熱器，形成積垢，影響鍋爐傳熱效果和燃燒效率，造成產(chǎn)汽量下降，增加能耗。

3.3 機械化收獲甘蔗對產(chǎn)品、副產(chǎn)品的影響

機收蔗所帶來的夾雜物不僅給制糖生產(chǎn)過程帶來不良影響，且會影響最終產(chǎn)品白砂糖以及三大副產(chǎn)物蔗渣、濾泥和最終糖蜜的產(chǎn)量和品質(zhì)，見表4。

表4 機械化收獲甘蔗對制糖生產(chǎn)產(chǎn)品和副產(chǎn)品的影響

4 制糖工藝變革是突破甘蔗收獲機械化瓶頸的基礎(chǔ)

4.1 制糖企業(yè)應(yīng)對甘蔗生產(chǎn)機械化收獲現(xiàn)有措施

鑒于不同收獲方式的甘蔗物料形狀及含雜等的差異性，機械化收獲模式對制糖企業(yè)原有的生產(chǎn)方式提出了更高的要求，目前部分制糖企業(yè)已做出積極應(yīng)對，通過升級甘蔗預處理系統(tǒng)、強化制糖工藝等措施，使制糖生產(chǎn)環(huán)節(jié)更好地適應(yīng)甘蔗生產(chǎn)機械化收獲模式，提高生產(chǎn)效率。

4.1.1 廠內(nèi)甘蔗預處理除雜系統(tǒng)

在改善機械化收獲甘蔗質(zhì)量和提高加工產(chǎn)品質(zhì)量的方法中，設(shè)置廠內(nèi)甘蔗預處理除雜是最為簡便的方法，是機收甘蔗負影響的有效補救措施。機收甘蔗運至工廠后進入預處理除雜系統(tǒng)，可去除甘蔗夾帶的泥沙、鐵器、蔗葉等雜物，對延長制糖設(shè)備的壽命和減少澄清助劑用量、提高產(chǎn)品質(zhì)量及收回率有著積極的意義[13]。

目前，國際上甘蔗預處理除雜方式分為濕法除雜和干法除雜，即：水洗式除雜和機械式除雜，其優(yōu)缺點如表5所示。水洗式除雜因需要消耗大量水資源且易增加水處理系統(tǒng)負荷、糖分損失高等不足，不為我國制糖企業(yè)所接受。我國制糖企業(yè)通常采用機械式除雜處理方式，隨著應(yīng)用推廣及持續(xù)完善，除雜效果得到較大提高；根據(jù)報道及調(diào)研顯示，目前甘蔗預處理除雜系統(tǒng)除雜效率約為 20%～50%，然而，如遇陰雨天，黏結(jié)的泥土及其與蔗莖蔗葉間的“架橋團聚”作用，形成較強的粘結(jié)力，使甘蔗預處理除雜系統(tǒng)收效甚微[14-15]。

表5 甘蔗生產(chǎn)機械化收獲預處理除雜方式比較

盡管甘蔗預處理除雜系統(tǒng)可在一定程度上緩解制糖工藝負面影響，但其分離出的夾雜物所造成的二次污染已經(jīng)成為企業(yè)新的負擔，其方式仍有待商榷。因此，在甘蔗收獲機械設(shè)備制造中，嚴格風送除雜設(shè)計應(yīng)該是目前比較合理的技術(shù)選擇，既可使雜物還田，又可減少運輸成本，同時避免了制糖企業(yè)的二次污染問題。

4.1.2 制糖工藝強化

甘蔗入榨前未能及時去除的泥沙、蔗梢、蔗葉等夾雜物隨著蔗料的反復壓榨進入到混合汁中，迫使制糖生產(chǎn)過程不得不通過加大澄清助劑的用量輔助澄清去除，如：采用高磷高硫高堿“三高”工藝，利用生成的 CaSO3、Ca3(PO)2等的吸附作用，沉淀去除部分懸浮于蔗汁中的雜質(zhì)。

4.2 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及其工藝變革

盡管甘蔗預處理除雜系統(tǒng)和強化制糖工藝可在一定程度上降低機收甘蔗所帶來的夾雜物對制糖生產(chǎn)的負面影響，但由于除雜率不高且現(xiàn)行制糖工藝清凈效率畢竟有限，制糖生產(chǎn)仍在較大程度上受機收甘蔗含雜的影響，無法解決甘蔗生產(chǎn)全程機械化與制糖生產(chǎn)要求之間的根本矛盾。顯然，制糖工藝及其最終產(chǎn)品模式變革以適應(yīng)甘蔗生產(chǎn)全程機械化發(fā)展，已經(jīng)勢在必行。

4.2.1 構(gòu)建“農(nóng)工一體化”利益分配模式

制糖產(chǎn)業(yè)是典型的農(nóng)產(chǎn)加工業(yè)，農(nóng)工關(guān)系緊密，但由于歷史原因，一直以來農(nóng)業(yè)與工業(yè)條塊分割，缺失良好的利益分配機制，與發(fā)達國家的“分糖制”存在顯著差異。由于利益角度不同，農(nóng)業(yè)強調(diào)原料甘蔗的重量和人工費用的高昂付出，對于結(jié)算扣雜頗有怨言；工業(yè)追求產(chǎn)品質(zhì)量和收回率，在一定程度上抵制機收甘蔗(主要是分段式)；進而造成雙方溝通不暢，制約產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化進程。其實，于整個產(chǎn)業(yè)而言，農(nóng)業(yè)與工業(yè)的利益是一致的，產(chǎn)業(yè)良好發(fā)展才是各方共同的出路，因而，構(gòu)建一體化的利益共同體是解決爭端的有效途徑。

4.2.2 構(gòu)建“分制原糖、集中精煉”制糖生產(chǎn)模式

4.2.2.1 分制原糖

把大部分糖廠改造成為原糖加工廠，原糖生產(chǎn)工藝對原料質(zhì)量要求可以適當放寬；其工藝效率能較好滿足產(chǎn)品質(zhì)量需求，破解澄清過程自動化和煮糖過程顆?？刂苾纱蠹夹g(shù)瓶頸，實現(xiàn)全過程自動化控制，達到減員增效的工藝效果；由于工藝過程較目前亞硫酸法、碳酸法相對簡單，還可以減少非榨期對設(shè)備的維護保養(yǎng)費用；所生產(chǎn)的原糖作為精煉糖廠的原料，成為“季產(chǎn)年銷、訂單生產(chǎn)”的“蓄水池”，有利于平衡調(diào)節(jié)市場需求。

4.2.2.2 集中精煉

以集團為單位，合理布局，將交通條件及協(xié)作條件好的幾家糖廠改造成為煉糖企業(yè)；根據(jù)市場端的要求加工集團內(nèi)部或其他來源的原糖，其最終產(chǎn)品質(zhì)量高，可滿足高檔飲料糖的需要，滿足人們?nèi)找嫣岣叩纳钏降男枰?；精煉企業(yè)可實現(xiàn)全過程自動控制，全年生產(chǎn)，破解季節(jié)性生產(chǎn)問題，提高設(shè)備利用率和勞動生產(chǎn)率；還有利于提高產(chǎn)業(yè)集中度，實現(xiàn)產(chǎn)品合理分工，提高專業(yè)化水平，穩(wěn)定人才隊伍；同時，其全過程污染小，綜合效益顯著。

4.2.3 標準體系完善

加強標準體系研究，完善現(xiàn)有標準體系。尤其是加快機收甘蔗標準研發(fā)，客觀公正反映原料蔗質(zhì)量與加工產(chǎn)品間的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)按質(zhì)論價；同時加快對下游用糖企業(yè)對應(yīng)原料糖品的研究與標準構(gòu)建，根據(jù)市場需要調(diào)整現(xiàn)有標準指標，適應(yīng)市場需求。

4.2.4 強化綠色加工工藝，推進產(chǎn)業(yè)多元發(fā)展

針對傳統(tǒng)制糖工藝中添加化學助劑影響糖品安全及產(chǎn)業(yè)鏈延長問題，以膜物理澄清技術(shù)為基礎(chǔ)耦合脫色除鹽等澄清技術(shù)，實施膜物理澄清與濃縮等為核心生產(chǎn)高品質(zhì)糖漿，開發(fā)甘蔗含水資源化技術(shù)，開發(fā)甘蔗纖維利用技術(shù)，開發(fā)糖蜜生物化工利用技術(shù)，實現(xiàn)高品質(zhì)高值化多元綠色生產(chǎn)新模式，推動傳統(tǒng)“蔗糖產(chǎn)業(yè)”向現(xiàn)代“甘蔗產(chǎn)業(yè)”發(fā)展[16-17]。

5 展望

實現(xiàn)甘蔗生產(chǎn)全程機械化，是提高甘蔗生產(chǎn)效率的重要條件，也是降低甘蔗成本，進而降低食糖生產(chǎn)成本的根本途徑。制糖生產(chǎn)面對工業(yè)化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變應(yīng)積極變革傳統(tǒng)工藝方式及產(chǎn)品模式，激活自身可持續(xù)發(fā)展動力的同時推動甘蔗規(guī)模化生產(chǎn)，全面降低生產(chǎn)綜合成本，才能提高產(chǎn)業(yè)核心競爭力。