国内外采用二次结晶法（二步法） 来生产精制糖， 即生产原糖后再进一步将原糖回溶处理生产精制糖。 此方法的主要弊端是能源耗费大，生产成本高。而一 步法生产精制糖是在原来耕地白糖生产工艺的基础上 改造糖汁澄清脱色，一次性生产出精制糖产品。一步 法生产精制糖的关键问题是脱色，糖汁中色素种类多 且形成过程复杂，要想一次性除去大量有色物质，必 须研究开发新的技术方法。传统工艺对糖汁的脱色能 力有限，而离子交换纤维具有很强的脱色、脱盐提纯 能力，用离子交换纤维法处理糖汁，不但能提高蔗糖 产品质量，而且能增加糖分的收回率，工艺技术互补， 使清汁达到一个比较高的质量水平，满足煮制精制糖 的要求。将离子交换纤维用于制糖工业始于 1983 年， 国外采用苯乙烯海澡型离子交换纤维进行了蔗糖回溶 糖浆的脱色。上世纪 80 年代，黄悦刚采用聚乙烯醇基 离子交换纤维对亚法甘蔗澄清汁脱色脱钙进行了研 究，平均脱色率达到 68.86%。到 90 年代，黄玉南^[1] 采用聚乙烯醇基离子交换纤维进行蔗糖回溶糖浆的脱 色，处理后的糖液色值 150～170 IU。离子交换纤维 是 21 世纪发展起来的一种新型功能材料，具有比表面 积大、交换容量大、交换速度快等优点，将离子交换纤维与制糖传统工艺相结合，在亚硫酸法糖厂中采用 离子交换纤维脱色，实现一步法生产精制糖，对改造 亚硫酸法糖厂是一个伟大的创举。

本文按照一步法采用离子交换纤维（简称离交纤 维）生产精制糖的工艺流程先在实验室进行小试和中 试，所得产品进行清汁性能测试，然后在糖厂车间进 行生产应用，研究一步法生产精制糖过程中清汁质量 变化、白砂糖质量和脱色清汁技术指标，并将离子交 换纤维和离子交换树脂的脱色效能、脱色速度以及糖 汁工艺进行比较，对一步法生产精制糖的成本核算、 经济效益、节能减排、存在问题等方面进行分析。 1 材料与方法 1.1 实验材料

离子交换纤维主要原料要求如表 1 所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 离子交换纤维主要原料的质量指标

表1 离子交换纤维主要原料的质量指标

本次研究的关键问题在于对工艺进行强化与优 化，在生产上通过调整生产流程，总结应用技术，使 之适应糖厂大规模的生产需求。一步法生产精制糖工 艺流程示意图见图 1。

图1(Figure 1)

图1 生产工艺流程图

桂林正翰科技开发有限责任公司和北京理工大 学走产学研合作道路，瞄准离子交换纤维在糖业上应 用的良好发展前景，首先建立了以聚丙烯(PP)纤维为 基体，通过辐照接枝后引入季胺基制备离子交换纤维 生产线，生产的离子交换纤维的交换容量达 3.0 mmol/g 以上，视密度(湿)为 0.28 g/mL，最高耐温为 100℃。 然后对糖厂亚硫酸法清汁脱色各项工艺参数进 行研究，在上述研究基础上，2006/07 年榨季在广西 农垦糖业集团金光制糖有限公司和良圻制糖有限公司 进行生产中试。 1.2.3 一步法生产精制糖的生产应用

2013/14 年榨季在广西农垦糖业集团防城精制糖 有限公司进行一步法生产精制糖的生产应用。在车间 新增一条 120 t/d 的生产线，设备有蔗汁储箱、快速沉 淀池、加热器、无布吸滤机、离子交换纤维脱色装置、 再生装置、降膜式蒸发罐、糖浆箱、煮糖罐、助晶箱、 分配槽、离心分蜜机等设备。混合汁经过加热、澄清、 脱色、蒸发、煮糖、分蜜，得到精制糖产品。

生产试验中每小时处理 5 t 蔗汁，从 2013 年 12 月 23 日至 2014 年 3 月 7 日经过试机、调整，最终生 产出精制糖。 2014 年 2 月 15 日至 3 月 7 日进行整体 试验，2 月 15 日开始在小生产线上共煮制 5 罐精制糖 (6 t)，2 罐优质糖(2.4 t)。 2 结果与分析 2.1 中试结果分析

表 2 部分数据为自测数据，其余数据为金光糖厂 化验室检测数据，一般为运行一天取样检测一次。 表 3 是金光糖厂 2007 年 3 月连续运行 4 天数据和良圻 糖厂连续运行 10 天数据，检测结果计算平均值。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 金光糖厂小试检测数据

表2 金光糖厂小试检测数据

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 金光糖厂和良圻糖厂中试检测数据

表3 金光糖厂和良圻糖厂中试检测数据

表 4 是清汁质量变化情况，表 5 是清汁脱色技术 指标。从表 4 和表 5 可知，脱色后纯度升高，脱色率 均 90%以上，色值低于 200 IU，达到预期效果要求， 但还不能达到精制糖要求，所以需要投底料煮糖。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 清汁质量变化情况

表4 清汁质量变化情况

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 清汁脱色技术指标

表5 清汁脱色技术指标

表 6 是白砂糖质量指标^[2]，从表 6 可知蔗糖分含 量为 99.8%，检验结果达到精制糖标准要求，还原糖 分、电导灰分、干燥失重、色值、混浊度以及不溶于 水杂质的检验结果均低于标准要求，各项指标检测结 果表明白砂糖质量达到精制糖合格标准。

表6

Table 6

表6(Table 6)

表6 清汁脱色技术指标

表6 清汁脱色技术指标

图 2 为亚法澄清汁离子交换纤维和离子交换树脂 静态脱色试验结果。从图 2 可以看出，加入相同质量 的交换材料，离子交换纤维的脱色性能好于离子交换 树脂，对糖汁的脱色率高于离子交换树脂，即在相同 的交换时间内，要达到同一脱色水平，离子交换纤维 的用量小。另一方面，也说明离子交换纤维的抗污染 能力比离子交换树脂强。

图2(Figure 2)

图2 树脂与纤维的脱色性能对比

各取树脂和纤维 20 g，加入至 1500 mL 的糖汁中 进行静态脱色试验，结果见图 3。

图3(Figure 3)

图3 树脂与纤维的脱色速度对比

由图 3 可见，离子交换纤维用于糖汁脱色速度远 远高于离子交换树脂，采用离子交换纤维对澄清汁进 行脱色，在 10 min 内即达到平衡，而采用离子交换树 脂进行脱色 15 min 后还没有达到吸附平衡。 这是由于 离子交换纤维与离子交换树脂相比，具有比表面积大、 交换速度快的特点，比表面积直接影响溶质的吸附容 量。因此，离子交换纤维的传质速率远大于离子交换 树脂，适合于高流通量下的离子交换过程。 2.2.4 纤维和树脂的糖汁处理工艺对比

表 7 是离子交换树脂与离子交换纤维的糖汁处理 工艺对比，从表 7 可知，用离子交换纤维对糖汁进行 脱色，交换速度比离子交换树脂快，由于离子交换纤 维是在表面吸附，不存在吸附孔堵塞的问题，吸附量 大，洗脱快，再生容易。再生只用盐水就行了，对环 境污染影响不大，而且洗脱液可以用于生产食用色素， 变废为宝。

表7

Table 7

表7(Table 7)

表7 离子交换树脂与离子交换纤维的糖汁处理工艺对比

表7 离子交换树脂与离子交换纤维的糖汁处理工艺对比

离子交换纤维的再生使用 5% ～ 10%(w/w) 的 NaCl 溶液。再生操作即用前 1/3 洗脱液和后 1/3 洗脱 液对离子交换纤维进行预再生，然后再用 NaCl 溶液 对离子交换纤维进行再生，使用量为理论值的 1/3， 即为 0.3 kg NaCl/kg 纤维。本次试验实际耗用量为每 次使用 4 kg NaCl，配制成 5%(w/w)的溶液。废液中间 1/3 洗脱液中 Ca2＋和 Cl1-浓度较高，可用作阴离子交换 纤维的预再生。离子交换纤维对色素的去除是从根本 上去除生色基，其脱色清汁质量好，性能稳定，可实 现“一步法”生产精制糖。离子交换纤维再生容易， 再生时间短，洗脱色素浓度高，便于综合利用。

相对于“二步法”而言，节省回溶和二次蒸发结 晶过程，每吨糖可节省能耗 160 元，节省标煤 0.15 t， 对于一家日产 300 t 糖的小型糖厂而言，每日可节省 标煤 45 t，每榨季可节省标煤 4500 t；对于一家日产 600 t 糖的中型糖厂，每榨季可节省标煤近 8000 t；而 对于一家日产 1000 t 糖的大型糖厂，每榨季可节省标 煤近 14000 t；对于整个广西而言，如年产 100 万 t 精 制糖，每年可节省标煤近 1500 万 t，直接节省 150 万 元的能源消耗，同时减轻大气治理、脱硫脱硝的压力。 另一方面，“二步法”中应用到碳酸饱充工序，会产生 碱性滤泥，无法综合利用，需要填埋，而本工艺不使 用碳酸饱充工序，无碱性滤泥处理。 2.3.2 成本核算和效益分析

小型生产线应用时，离子交换纤维共 20 kg，售 价按 500 元/kg 计算，总计 10000 元，使用寿命按 1000 次计算，则每次的成本为 10 元；再生时每次使用氯化 钙 40 kg，共再生 2 次，可重复利用，按 30%用量核 算，此项成本为 60 元。每个周期耗电 3 kW·h，按 1.0 元/(kW·h)计算，总计 3.0 元。设备折旧和维修费用摊 销为 5 元。以上总计 10+60+5+3=78.0 元。

小型生产线每次至少产糖 1.2 t（小型煮糖罐生产 规模），则吨糖成本新增为 78÷ 1.2=63.25 元。由于不 用二次结晶，每吨精制糖生产成本节省汽耗约 160 元^[3]。这样每吨的新增加收益为 160-63.25=96.75 元。 3 存在问题

（ 1）离子交换纤维交换柱阻力大，停留时间长。 交换纤维本身的结构决定了其阻力系数大，如设备高 度越高阻力越大，则糖汁在交换柱中的停留时间越长。 从脱色工艺效果看，停留时间越长脱色效果越好，但 停留时间长对糖汁蔗糖分还原糖分影响越大，因此两 者必须找到一个合适的结合点。

（ 2）自动控制问题。本次全部采用手动控制， 需设计一套全自动控制设备。

（ 3）系统化问题。本次只制作一套交换设备， 实际大工业化生产中需连续化生产，因此需要配置整 套系统，包括自动控制系统。 4 结论

通过生产试验，离子交换纤维用于糖汁的脱色效 果是非常好的，清汁色值从 2000 IU 下降到 150 IU 左 右，满足了生产精制糖的要求，达到了预期的目的。 由于在制糖生产中还要考虑生产上各方面的工艺技术 指标，整条生产线要完全理顺才能得到更好的效果， 所以，在今后的生产试验当中，要全面制定好各生产 工段的指标要求，特别是煮糖工段的配料和操作。另 外，还要增加自动控制部分的仪器仪表，提高自动化 操作水平，这样对制糖行业的产品质量和技术水平会 有一个较大的促进。