毛瑞豐，郭立冬，王雙飛,*，梁忠云，覃燕燕

(1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.南寧市蒲廟造紙廠，廣西 南寧 530200)

多種甘蔗糖蜜的酒精生產(chǎn)模擬實(shí)驗(yàn)中污垢的沉積特性

毛瑞豐1，郭立冬1，王雙飛1,*，梁忠云2，覃燕燕1

(1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.南寧市蒲廟造紙廠，廣西 南寧 530200)

介紹甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)污垢因子沉積過程的研究。運(yùn)用化學(xué)分析法、質(zhì)量分析法，剖析模擬流程關(guān)鍵點(diǎn)物料及污垢的化學(xué)成分和沉積規(guī)律，分析污垢因子隨流程而變化的理化特性。提出表觀污垢、表觀熱解污垢和表觀熱穩(wěn)污垢3個(gè)參數(shù)，用以說明甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)全流程中污垢發(fā)生的一般過程。

甘蔗糖蜜；酒精；污垢；表觀污垢；表觀熱解污垢；表觀熱穩(wěn)污垢

20世紀(jì)90年代以來，許多甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)廠出現(xiàn)粗餾塔積垢堵塔問題。2006年6月，在廣西某廠考察發(fā)現(xiàn)：初塔入料層及以下兩層積有大量黃褐色硬質(zhì)污垢，厚達(dá)8cm。還有污泥狀積垢夾雜脫落硬質(zhì)垢片堵塞回流管造成堵塔。積垢嚴(yán)重期間，拆塔清除后僅3d，再次堵塔。國(guó)外糖蜜酒精生產(chǎn)使用臥式連續(xù)離心機(jī)去除糖蜜稀釋時(shí)的灰分，結(jié)合清潔生產(chǎn)設(shè)計(jì)，酵母回收、廢液回用等技術(shù)，并不存在蒸餾塔積垢問題[1]。

糖蜜成分變化是引發(fā)現(xiàn)有甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)工藝中蒸餾塔積垢的根本原因[2-3]。從20世紀(jì)90年代中期開始，李德光等[4-7]分析了不同廠家、不同設(shè)備部位的污垢成分，對(duì)污垢中重要成分的來源以及產(chǎn)生過程進(jìn)行了討論，用溶度積理論進(jìn)一步分析了積垢的運(yùn)行機(jī)制、預(yù)防和清洗方法。尹國(guó)等[8]連續(xù)幾年跟蹤分析了桔水原料成分，提出了從甘蔗原料、制糖工藝到酒精工藝的全面綜合防治措施。保國(guó)裕[9]總結(jié)了解決蒸餾塔積垢的各項(xiàng)措施，包括糖蜜原料控制、工藝改革、工藝管理、設(shè)備改造等方面的分析與實(shí)踐。

糖蜜原料成分變化較大。不同來源甚至同一來源不同批次糖蜜的各項(xiàng)參數(shù)都有差異。生產(chǎn)過程本身存在較多的隨機(jī)變化因素，工藝調(diào)節(jié)操作造成物料的變化。例如，根據(jù)糖蜜質(zhì)量調(diào)整硫酸加量，污垢較多時(shí)增加發(fā)酵罐罐底排污，蒸餾塔停料煮水等，均造成物料成分的異常變化。連續(xù)式生產(chǎn)方式?jīng)Q定了糖蜜酒精生產(chǎn)全流

程物料的不穩(wěn)定。采取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、生產(chǎn)線取樣分析等研究方法，都不能準(zhǔn)確把握物料體系中與污垢發(fā)生相關(guān)聯(lián)的明確參數(shù)。采用現(xiàn)行制糖工藝、酒精工藝規(guī)定的生產(chǎn)過程檢測(cè)參數(shù)包括總還原物、非發(fā)酵性還原物、純度、灰分、錘度、p H值、鈣鎂總量、硫酸鹽總量、Fe3+、Mg2+、SiO2、P2O5等指標(biāo)，均不能直接表示物料中污垢因子的性狀，不能用于說明酒精生產(chǎn)中污垢的發(fā)生及規(guī)律。

因此，在全流程物料變化與污垢發(fā)生規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)多種來源糖蜜的多批次生產(chǎn)模擬實(shí)驗(yàn)，提出表觀污垢、表觀熱解污垢和表觀熱穩(wěn)污垢3個(gè)參數(shù)及檢測(cè)方法，作為酒精生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)參數(shù)，用于污垢的預(yù)警與防治，有十分重要的意義。研究成果在實(shí)際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證[10]。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

甘蔗糖蜜、硫酸、磷酸、尿素、活性干酵母。

氫氧化鈉、硫酸銅、醋酸鉛、氯化銨、氯化鋇、氯化鎂、濃氨水、E D T A、鹽酸羥胺、依來鉻黑T、酒石酸甲鈉、四甲基藍(lán)、無水乙醇、95%乙醇均為分析純。

DZF-6020型真空干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；AL204電子分析天平、326電導(dǎo)率儀、FE20 pH計(jì)梅特勒-托利多儀器有限公司；WAY-2S數(shù)字阿貝折射儀 上海光學(xué)儀器廠；78-2雙向磁力攪拌器 常州國(guó)華電器有限公司；SRJX-49箱形電阻爐 長(zhǎng)沙市華光電機(jī)廠；TG16W臺(tái)式高速離心機(jī) 中國(guó)科學(xué)院武漢科學(xué)儀器廠。

1.2 對(duì)比發(fā)酵實(shí)驗(yàn)分組

首先進(jìn)行不同來源的多種甘蔗糖蜜的對(duì)比發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，參見表1多種糖蜜的對(duì)比發(fā)酵實(shí)驗(yàn)(選用9種糖蜜)。根據(jù)對(duì)比發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，選擇其中5種糖蜜設(shè)置了6個(gè)樣品組，編號(hào)為糖蜜8、7、6、1、4、10(糖蜜7加糖蜜6)，按照某廠生產(chǎn)實(shí)際工藝，進(jìn)行稀釋、發(fā)酵、模擬粗餾加熱，分析關(guān)鍵工藝點(diǎn)的污垢發(fā)生狀況，追蹤全流程中污垢成分的動(dòng)態(tài)分布。

1.3 生產(chǎn)模擬實(shí)驗(yàn)流程

見圖1生產(chǎn)模擬實(shí)驗(yàn)流程。

取樣點(diǎn)：圖1中表示為1#、2#、3#、4#、5#五處。

1.4 生產(chǎn)模擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

稀釋：稱取一定量的糖蜜，加水(實(shí)驗(yàn)室制備的經(jīng)離子交換的純凈水)稀釋。按照實(shí)際生產(chǎn)添加量加入磷酸、尿素(30t廢蜜中加50kg尿素與11.3kg的磷酸)加硫酸調(diào)pH3.1，加水定容至1000mL，配成錘度30 Bx的發(fā)酵用糖液。

圖1 生產(chǎn)模擬實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Mimic experimental process for alcohol production

發(fā)酵：將活性干酵母12h培養(yǎng)液接入糖液，接種量10%，室溫下發(fā)酵65h。

初塔進(jìn)料層處的蒸餾醪：預(yù)熱至68℃成熟醪，加入預(yù)熱至75℃的96%乙醇，使混合液酒精體積分?jǐn)?shù)為30%。加熱至100℃，加熱5min。模擬粗餾塔進(jìn)料層的蒸餾醪。

1.5 樣品處理與檢測(cè)分析

1.5.1 不同來源多種甘蔗糖蜜的對(duì)比發(fā)酵實(shí)驗(yàn)

糖蜜、稀釋糖液、發(fā)酵醪的常規(guī)分析：錘度、總糖、非糖、p H值、灰分、殘?zhí)恰⒕凭w積分?jǐn)?shù)、鈣鎂總量、硫酸鹽總量[11]。污垢外觀，沉積過程，沉積量。

1.5.2 生產(chǎn)模擬實(shí)驗(yàn)

1.5.2.1 測(cè)定操作

將一定體積混勻的待測(cè)液進(jìn)行2000r/min離心分離15min，取上清液，測(cè)定其中的鈣鎂總量，硫酸鹽總量，電導(dǎo)灰分。將污垢移入已經(jīng)處理恒質(zhì)量的坩堝中，用無水乙醇3次洗滌離心管并入坩堝。將坩堝在85℃干燥至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量，減掉坩堝的質(zhì)量，得出數(shù)據(jù)用于計(jì)算表觀污垢。將坩堝置于電爐上燒至無煙后，于600℃下灼燒5h，稱質(zhì)量，得到表觀熱穩(wěn)污垢所需計(jì)算值。表觀污垢與表觀熱穩(wěn)污垢之差，即為表觀熱解污垢。

1.5.2.2 定義與計(jì)算公式

表觀污垢：糖蜜稀釋液100g固溶物計(jì)的樣本中可以被特定條件離心沉降的污垢的絕干質(zhì)量(g)。表示為Fa/(g/100g)。

表觀熱穩(wěn)污垢：表觀污垢中不被特定條件的加熱處理分解損失的部分，表示為Fs/(g/100g)。

表觀熱解污垢：表觀污垢中能被特定條件的加熱處理分解損失的部分，表示為Fd/(g/100g)。

表1 不同來源多種甘蔗糖蜜的對(duì)比發(fā)酵實(shí)驗(yàn)Table 1 Comparison of fermentation experiments using a variety of molasses

計(jì)算方法：

式中：F為測(cè)定的絕干污垢質(zhì)量/g；m為模擬實(shí)驗(yàn)稱取的糖蜜質(zhì)量/g；B為糖蜜的錘度/Bx；Vf為樣品液的體積/mL；V為糖蜜稀釋液的總體積/mL；Fs計(jì)算公式與Fa相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同來源多種甘蔗糖蜜的對(duì)比發(fā)酵實(shí)驗(yàn)

由表1模擬生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果：糖蜜8發(fā)酵水平高，蒸餾時(shí)積垢少，糖蜜1發(fā)酵水平較好，發(fā)酵及蒸餾污垢量大，但是蒸餾也不易形成結(jié)實(shí)的積垢。糖蜜6、7發(fā)酵水平低，蒸餾積垢嚴(yán)重。

根據(jù)24h發(fā)酵氣泡量、成熟醪錘度、酒份、殘?zhí)堑葏?shù)分析，發(fā)酵水平最高的是糖蜜8；其次是糖蜜3、4、9；再次是糖蜜1、2、5；而糖蜜6、7發(fā)酵水平最低。發(fā)酵水平高的糖蜜色澤較淺，其污垢顏色偏黃色，發(fā)酵水平低的糖蜜色澤較深，其污垢顏色偏褐色調(diào)甚至醬黑色。發(fā)酵水平高的糖蜜的稀釋糖液、發(fā)酵成熟醪污垢量多于發(fā)酵水平差的糖蜜實(shí)驗(yàn)組樣本，且其污垢沉降速度較快。加熱濃縮后，各實(shí)驗(yàn)組樣本的污垢量差別變得不明顯，但是發(fā)酵水平差的糖蜜實(shí)驗(yàn)組樣本污垢中出現(xiàn)肉眼可見的明顯片狀或顆粒狀積垢。發(fā)酵水平差的糖蜜的成熟醪具有很高的錘度、灰分，但其糖蜜的各項(xiàng)參數(shù)與其他糖蜜并無明顯差別，其灰分含量反而比其他5種糖蜜更低。

從上述分析可以看出，依據(jù)以上各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)預(yù)測(cè)或評(píng)價(jià)不同糖蜜原料的發(fā)酵水平是困難的。這些參數(shù)，也不能用于表征糖蜜中污垢因子、污垢特性、污垢發(fā)生過程與規(guī)律。

2.2 生產(chǎn)模擬實(shí)驗(yàn)

2.2.1 各糖蜜樣本的表觀污垢，表觀熱解污垢，表觀熱穩(wěn)污垢

圖2 模擬實(shí)驗(yàn)流程不同來源各甘蔗糖蜜樣本表觀污垢、表觀熱穩(wěn)污垢和表觀熱解污垢Fig.2 Apparent fouling, apparent heat-stable fouling and apparent heat-degradable fouling of each molasses sample in mimic experiments

圖2為模擬實(shí)驗(yàn)流程各糖蜜樣本表觀污垢、表觀熱穩(wěn)污垢和表觀熱解污垢。

2.2.1.1 表觀污垢分析

由圖3可見，所有糖蜜樣本的最終表觀污垢(5#點(diǎn))，均大于中間表觀污垢(2#、3#、4#點(diǎn))。糖蜜7的最終表觀污垢與中間表觀污垢差異非常明顯，糖蜜8、6的最終表觀污垢與中間表觀污垢差異較為明顯，糖蜜10、1、4的最終表觀污垢與中間表觀污垢差異不明顯。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)流程不同來源各甘蔗糖蜜樣本表觀污垢Fig.3 Apparent fouling of molasses in mimic experiments

2.2.1.2 表觀熱穩(wěn)污垢分析

圖4 模擬實(shí)驗(yàn)流程不同來源各甘蔗糖蜜樣本表觀熱穩(wěn)污垢Fig.4 Apparent heat-stable fouling of molasses in mimic experiments

由圖4可見，表觀熱穩(wěn)污垢的變化：糖蜜8、1、4相似，即表觀熱穩(wěn)污垢隨流程而增大，且在發(fā)酵過程中較為穩(wěn)定(2#和3#點(diǎn)的表觀熱穩(wěn)污垢差別不明顯)。上述3種糖蜜中，糖蜜8的最終表觀熱穩(wěn)污垢明顯高于中間表觀熱穩(wěn)污垢，而糖蜜1、4的最終表觀熱穩(wěn)污垢與中間表觀熱穩(wěn)污垢差別不明顯。糖蜜7、6、10有共同特點(diǎn)：發(fā)酵醪液的表觀熱穩(wěn)污垢與稀釋液幾乎無差別，甚至出現(xiàn)3#或4#點(diǎn)表觀熱穩(wěn)污垢低于2#點(diǎn)的情況。

2.2.1.3 表觀熱解污垢分析

圖5 模擬實(shí)驗(yàn)流程不同來源各甘蔗糖蜜樣本表觀熱解污垢Fig.5 Apparent heat-degradable fouling of molasses in mimic experiments

由圖5可見，表觀熱解污垢的變化：糖蜜7、8、6的最終表觀熱解污垢均明顯高于中間表觀熱解污垢，而且，5#點(diǎn)的表觀熱解污垢大于表觀熱穩(wěn)污垢。糖蜜7

的最終表觀污垢中，表觀熱解污垢比例超過80%。

2.2.2 不同來源各甘蔗糖蜜實(shí)驗(yàn)組樣本離心上清液的分析

2.2.2.1 各糖蜜實(shí)驗(yàn)組樣本離心上清液電導(dǎo)灰分

圖6 模擬實(shí)驗(yàn)流程6種糖蜜樣本上清液分析Fig.6 Content analysis of supernatants from six kinds of molasses samples in mimic experiments

如圖6A所示，各糖蜜樣本離心上清液電導(dǎo)灰分變化呈現(xiàn)共同特點(diǎn)：稀釋液電導(dǎo)灰分比糖蜜稍有下降(糖蜜4例外)，發(fā)酵醪電導(dǎo)灰分上升明顯，達(dá)到全流程最大值，模擬蒸餾醪電導(dǎo)灰分降到全流程最低值。不同糖蜜之間的差異表現(xiàn)為：糖蜜1、7在發(fā)酵前段(48h發(fā)酵)電導(dǎo)灰分高于發(fā)酵后期(65h)，并且其模擬蒸餾醪電導(dǎo)灰分較糖蜜電導(dǎo)灰分的減少比率最大。糖蜜6、8在稀釋前、發(fā)酵65h后的變化特征是一致的，電導(dǎo)灰分最大值出現(xiàn)在發(fā)酵后段(65h)，發(fā)酵階段糖蜜6發(fā)酵醪電導(dǎo)灰分的增加與糖蜜8的增加量相比有明顯的差距。糖蜜4的特征是：發(fā)酵65h之前，電導(dǎo)灰分一直在增加，6種糖蜜中只有糖蜜4出現(xiàn)稀釋液電導(dǎo)灰分高于糖蜜的情況。與其他4個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本相比，糖蜜4、6的模擬蒸餾醪電導(dǎo)灰分較糖蜜電導(dǎo)灰分的減少比率較小。糖蜜10在稀釋、發(fā)酵階段電導(dǎo)灰分的變化均不明顯，稀釋液電導(dǎo)灰分下降不多，發(fā)酵醪電導(dǎo)灰分上升不多，模擬蒸餾醪電導(dǎo)灰分出現(xiàn)較為明顯下降。

2.2.2.2 各糖蜜實(shí)驗(yàn)組樣本離心上清液鈣鎂總量

各糖蜜實(shí)驗(yàn)組樣本離心上清液鈣鎂總量和硫酸鹽總量存在相關(guān)性。糖蜜稀釋時(shí)加入硫酸使稀釋液硫酸鹽大量增加，部分鈣鎂離子與硫酸形成難溶性鹽析出，稀釋液鈣鎂總量下降。如圖6B所示，糖蜜1、8、4發(fā)酵醪鈣鎂總量高于糖蜜鈣鎂總量。糖蜜6、7、10發(fā)酵醪鈣鎂總量低于糖蜜鈣鎂總量。與糖蜜鈣鎂總量相比較，最終鈣鎂總量下降幅度最大的是糖蜜6，依次是糖蜜7、1 0、1、4、8。糖蜜4、1、6、8發(fā)酵醪鈣鎂總量明顯高于稀釋液鈣鎂總量，糖蜜7發(fā)酵醪鈣鎂總量略高于稀釋液鈣鎂總量，糖蜜10與其他各糖蜜不同，發(fā)酵醪鈣鎂總量比稀釋液鈣鎂總量更低。

2.2.2.3 各糖蜜實(shí)驗(yàn)組樣本離心上清液硫酸鹽總量

糖蜜4、1、8發(fā)酵醪硫酸鹽量高于稀釋液，糖蜜4、8的硫酸鹽量最高值出現(xiàn)在48h發(fā)酵醪，而糖蜜1的硫酸鹽量最高值出現(xiàn)在65h發(fā)酵醪。糖蜜6的發(fā)酵醪硫酸鹽量略高于其稀釋液。糖蜜10和糖蜜7的變化規(guī)律很相似，發(fā)酵醪鈣鎂總量均比稀釋液低。最終硫酸鹽量與糖蜜硫酸鹽量相比，糖蜜6減少約50%，糖蜜1持平，糖蜜7、4略有增加，糖蜜1 0、8增加一倍以上。

3 結(jié) 論

3.1 使用污垢去除率選擇重力沉降法去除污垢因子的最佳工藝點(diǎn)

根據(jù)圖6分析，糖蜜稀釋之后，醪液中電導(dǎo)灰分大量增加，發(fā)酵醪進(jìn)入蒸餾階段，其中過飽和的污垢因子將為污垢發(fā)生提供充足的污垢形成來源。去除污垢因子，是控制積垢最直接的選擇。使用離心操作去除不溶性沉積物是制糖工業(yè)和發(fā)酵工業(yè)的普遍方法。

各種糖蜜在模擬生產(chǎn)流程中的不同工藝點(diǎn)具有不同的表觀污垢。見表2模擬實(shí)驗(yàn)流程中6種糖蜜樣本表觀污垢。計(jì)算各種糖蜜在2#，3#，4#工藝點(diǎn)表觀污垢(F2#，F(xiàn)3#，F(xiàn)4#)占最終取樣點(diǎn)(5#)表觀污垢F5#的比率，將其定義為該工藝點(diǎn)重力沉降法去除污垢因子的污垢去除率(R):

式中，F(xiàn)n即 F2#，F(xiàn)3#，F(xiàn)4#。

此數(shù)據(jù)可以評(píng)價(jià)該工藝點(diǎn)重力沉降法去除污垢因子的效果，從而選擇不同糖蜜使用重力沉降法去除污垢因

子的最佳工藝點(diǎn)。表3為模擬實(shí)驗(yàn)流程中6種糖蜜樣本表觀污垢與5#取樣點(diǎn)表觀污垢比率。

表2 模擬實(shí)驗(yàn)流程中6種糖蜜樣本表觀污垢對(duì)比Table 2 Apparent fouling of six kinds of molasses samples in mimic experiments

表3 模擬實(shí)驗(yàn)流程中6種糖蜜樣本表觀污垢與5#取樣點(diǎn)表觀污垢比率Table 3 Ratio of apparent fouling between six kinds of molasses samples and 5 sampling points in mimic experiments

糖蜜7在稀釋工藝點(diǎn)、發(fā)酵成熟工藝點(diǎn)的污垢去除率僅低于11%。說明這種糖蜜在蒸餾前通過重力分離法不能有效除去可沉積物。采取酸化后靜置、發(fā)酵醪底排污、發(fā)酵醪上流式出料等措施控制粗塔積垢基本無效。

糖蜜6在稀釋工藝點(diǎn)、發(fā)酵成熟工藝點(diǎn)污垢去除率低于30%。說明這種糖蜜在蒸餾前通過重力分離法除去污垢因子效果有限。采取酸化后靜置、發(fā)酵醪底排污、發(fā)酵醪上流式出料等措施控制粗塔積垢效果不理想。

糖蜜1、糖蜜4在稀釋工藝點(diǎn)污垢去除率達(dá)45%以上，在發(fā)酵成熟工藝點(diǎn)污垢去除率達(dá)80%左右。采取酸化后靜置、發(fā)酵醪底排污、發(fā)酵醪上流式出料等措施控制粗塔積垢具有明顯效果。4#位點(diǎn)是最佳除垢工藝點(diǎn)。

糖蜜8在稀釋工藝點(diǎn)污垢去除率達(dá)25.6%，在發(fā)酵成熟工藝點(diǎn)污垢去除率達(dá)44.8%。采用重力分離法能有效除去污垢因子。采取酸化后靜置、發(fā)酵醪底排污、發(fā)酵醪上流式出料等措施控制粗塔積垢具有一定效果。

3.2 表觀熱穩(wěn)污垢和表觀熱解污垢的意義

甘蔗糖蜜中存在大量的無機(jī)灰分(以鈣鹽為主)、非糖有機(jī)物，糖蜜稀釋時(shí)加入了過量的硫酸根離子，發(fā)酵過程產(chǎn)生了大量酵母細(xì)胞物質(zhì)。鈣離子與硫酸根反應(yīng)生成的非水溶性物質(zhì)析出，構(gòu)成了大多數(shù)糖蜜中污垢的主體成分。而污垢中的有機(jī)物包括：甘蔗原料的果膠質(zhì)、淀粉、含氮物、色素；制糖有害菌產(chǎn)生的多糖，如腸膜狀明串珠球菌產(chǎn)生的葡聚糖；原料帶入及制糖工藝產(chǎn)生的各種色素，如焦糖色素和美拉德反應(yīng)色素[12-13]；少量的蔗脂和蔗蠟[14-15]；酵母細(xì)胞的有機(jī)質(zhì)。不同來源的糖蜜之間這些污垢因子的種類及數(shù)量還有很大差別[16]。

現(xiàn)行酒精工藝包括了糖蜜稀釋酸化流程。工藝目的之一是通過稀釋降低醪液中糖的濃度，使之釋放部分無機(jī)離子(主要是Ca2+)，促進(jìn)加硫酸后不溶性硫酸鈣的析出[17]。然后通過靜置利用重力沉降去除灰分，從而保證后續(xù)發(fā)酵、蒸餾工段不受污垢沉積影響。但是實(shí)際生產(chǎn)中，并沒有進(jìn)行靜置沉降去除灰分操作。因此，污垢因子始終存在于生產(chǎn)全流程，其理化特性、沉積特性在流程中隨著物料的工藝參數(shù)變化而變化。污垢因子中無機(jī)灰分與膠體的相互作用導(dǎo)致了物料中復(fù)雜的多元平衡體系的變化。包括：無機(jī)離子的電離平衡、溶解平衡；膠體體系的穩(wěn)定平衡；難溶性硫酸鹽的晶體生長(zhǎng)；污垢的附著和剝蝕[18]。

根據(jù)表1分析，色澤較深(糖蜜5、6、7、9)且純度較低糖蜜(糖蜜5、6、7)，模擬蒸餾時(shí)醪液污垢出現(xiàn)顆粒狀或片狀結(jié)垢。顆粒狀和片狀污垢的形成，才是導(dǎo)致被蒸餾塔塔板積垢堵塞的原因。色澤較淺且純度較高的糖蜜8、1、4在全流程中均形成淤泥狀污垢。色澤和純度反映了糖蜜中非糖有機(jī)物的量，因此，揭示污垢因子中無機(jī)灰分與有機(jī)物的相互作用，是正確解析醪液中污垢因子沉積特性的關(guān)鍵。

表觀熱穩(wěn)污垢，表示表觀污垢中在600℃下灼燒不被分解的部分，反映了表觀污垢中無機(jī)灰分的量。表觀熱解污垢，表示表觀污垢中在600℃下灼燒能被分解的部分，反映了表觀污垢中有機(jī)物的量。測(cè)定表觀污垢、表觀熱穩(wěn)污垢、表觀熱解污垢，可以分析物料中污垢因子的沉積過程和沉積特性。

參見圖2。糖蜜7的2#、3#、4#點(diǎn)表觀污垢很低，5#點(diǎn)表觀污垢遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他各取樣點(diǎn)；2#、3#、4#取樣點(diǎn)表觀熱解污垢低于表觀熱穩(wěn)污垢，5#點(diǎn)表觀熱解污垢比例超過80%。結(jié)合表1分析，糖蜜7的灰分和非糖均超過或不低于糖蜜8、4，但是糖蜜7在2#，3#，4#點(diǎn)的表觀污垢卻大大低于糖蜜8、4，在5#點(diǎn)糖蜜7卻有3種糖蜜中最大的表觀污垢，其中表觀熱解污垢比例超過80%。糖蜜7模擬蒸餾時(shí)出現(xiàn)顆粒狀和片狀污垢。表1記載了糖蜜7的發(fā)酵水平，顯示糖蜜7酵母啟動(dòng)慢，發(fā)酵不旺盛，殘?zhí)歉?，酒酒精體積分?jǐn)?shù)低，成熟醪灰分高。推斷糖蜜7含有較高的非糖膠體物，這些物質(zhì)在糖蜜中并非普遍存在。由于這些膠體物對(duì)無機(jī)離子的吸附作用、懸浮穩(wěn)定作用，使糖蜜7的污垢因子在稀釋酸化處理時(shí)不能充分有效地形成不溶性物質(zhì)并沉積下來，

2#點(diǎn)表觀污垢很小。額外的實(shí)驗(yàn)證實(shí)糖蜜7含有抑制酵母細(xì)胞生長(zhǎng)的某種成分。因此，糖蜜7的發(fā)酵水平低，也造成成熟醪中酵母細(xì)胞物質(zhì)量較少。5#點(diǎn)表觀污垢的突然躍升，說明糖蜜7成熟醪中的膠體物更容易受熱和酒精的影響，發(fā)生了由吸附無機(jī)離子、穩(wěn)定細(xì)小懸浮物向解離無機(jī)離子、絮凝沉降無機(jī)不溶物的轉(zhuǎn)變[19-20]。

綜上所述。原有的檢測(cè)參數(shù)，如膠體含量、灰分、硫酸鹽總量、鈣鎂總量等可以表征物料中污垢因子的量，但不能直接說明物料中的污垢因子在流程中隨工藝條件變化而變化的沉積過程、沉積量、沉積特征。表觀污垢直接表征了重力沉降條件下可以沉積的污垢量。表觀污垢中表觀熱穩(wěn)污垢和表觀熱解污垢，有效表征了全流程中污垢因子的無機(jī)物組分與有機(jī)物組分之間的相互作用，以及這些相互作用導(dǎo)致的污垢的發(fā)生過程、發(fā)生特征。使用表觀污垢、表觀熱穩(wěn)污垢、表觀熱解污垢作為甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)污垢預(yù)測(cè)及污垢控制的重要參數(shù)，獨(dú)具價(jià)值。

進(jìn)一步的研究需要進(jìn)行更多糖蜜樣本的比對(duì)分析；研究物料中各種膠體在全流程中理化特性的變化；設(shè)計(jì)模擬生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)樣本組，建立并完善表觀污垢的測(cè)定和計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

按照Epstein的污垢分類[21]，酒精生產(chǎn)污垢具有析晶污垢、微粒污垢、化學(xué)反應(yīng)污垢、生物污垢、凝固污垢的特點(diǎn)。因此，使用Bott的分類更符合實(shí)際[22]，即甘蔗糖蜜酒精污垢是一種混合污垢，其組成成分、發(fā)生過程十分復(fù)雜。必須結(jié)合傳質(zhì)、傳熱過程的研究方法[23-24]，才能對(duì)甘蔗糖蜜酒精污垢發(fā)生機(jī)理做出更深入的揭示。

后續(xù)文章將進(jìn)一步報(bào)道關(guān)于有機(jī)物對(duì)污垢發(fā)生影響的研究結(jié)果；應(yīng)用表觀污垢評(píng)價(jià)的多種污垢控制技術(shù)的研究結(jié)果。

[1]保國(guó)裕. 糖蜜清凈方法與作用探討[J]. 甘蔗糖業(yè), 2000(6): 48-51.

[2]彭達(dá)皓, 黃泰榮, 謝國(guó)輝. 淺談解決糖蜜酒精生產(chǎn)粗餾塔結(jié)垢問題的對(duì)策[J]. 甘蔗糖業(yè), 2002(2): 40-41.

[3]許喜林, 林福蘭, 賴?guó)P英, 等. 糖蜜酒精生產(chǎn)中幾個(gè)問題的探討[J].甘蔗糖業(yè), 1998(1): 47-49.

[4]李德光. 化工設(shè)備積垢[M]. 昆明: 云南大學(xué)出版社, 2007.

[5]李德光, 李羚. 甘蔗糖蜜酒精蒸餾設(shè)備積垢的化學(xué)成分分析及運(yùn)行機(jī)制探究[J]. 釀酒科技, 2008(5): 82-84.

[6]李德光, 李羚. 甘蔗糖蜜酒精蒸餾設(shè)備積垢預(yù)防[J]. 中國(guó)釀造, 2008, 23: 80-82.

[7]徐國(guó)良, 李德光. 甘蔗糖蜜酒精蒸餾設(shè)備積垢的清洗探索和實(shí)踐[J].中國(guó)釀造, 2009(6): 131-133.

[8]尹國(guó), 王開蘭, 彭超英, 等. 有效解決糖蜜酒精生產(chǎn)粗餾塔結(jié)垢問題[J]. 甘蔗糖業(yè), 2000(3): 37-41.

[9]保國(guó)裕. 用糖蜜生產(chǎn)酒精如何減少蒸餾塔積垢[J]. 廣西蔗糖, 2005 (3): 44.

[10]趙日新. 解決糖蜜酒精生產(chǎn)初餾塔積垢問題工藝改進(jìn)[J]. 甘蔗糖業(yè), 2009(3): 46-49.

[11]王雙飛. 制糖工程實(shí)驗(yàn)[M]. 北京: 中國(guó)輕工業(yè)出版社, 2007.

[12]GOODACRE B C, HUTSON J, COOMBS J. Enzyme catalysed formation of colour in cane juice PartⅡ[J]. International Sugar Journal, 1980. 82(973): 11-14.

[13]GOODACRE B C, HUTSON J, COOMBS J. Enzyme catalysed formation of colour in cane juice PartⅢ[J]. International Sugar Journal, 1980. 82(974): 51-54.

[14]陳維鈞, 許斯欣, 沈參秋, 等. 甘蔗制糖原理與技術(shù): 蔗汁清凈[M].北京: 中國(guó)輕工業(yè)出版社, 2001: 13-20.

[15]陳志成. 甘蔗制糖上浮澄清工藝的研究[D]. 南寧: 廣西大學(xué), 2006.

[16]溫德標(biāo), 李凱, 陸海勤, 等. 甘蔗成分對(duì)制糖澄清影響研究[J]. 廣西輕工業(yè), 2009(7): 17-18.

[17]王湘茹, 于淑娟. 甘蔗糖蜜澄清處理及處理前后組分分析[J]. 中國(guó)調(diào)味品, 2010, 35(2): 64-68.

[18]EPSTEIN N. Thinking about heat transfer fouling: A 5×5 matrix[J]. Heat Transfer Engineering, 1981, 4(1): 43-56.

[19]周佳, 劉慧霞, 盧家炯, 等. 制糖過程親水膠體凝聚與pH值關(guān)系的研究[J]. 廣西輕工業(yè), 2008(4): 1-2; 6.

[20]霍漢鎮(zhèn). 現(xiàn)代制糖化學(xué)與工藝學(xué)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2008: 73-82.

[21]EPSTEIN N. Fouling in heat exchangers[J]. Heat Transfer, 1979(6): 235-253.

[22]BOTT T. Fouling notebook[M]. Birmingham: Institute of Chemical Engineer, 1990.

[23]楊善讓, 徐志明, 孫靈芳. 換熱設(shè)備污垢與對(duì)策[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004: 27.

[24]于大禹, 門洪, 穆勝偉, 等. 微生物污垢檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 微生物學(xué)通報(bào), 2008, 35(12): 1957-1960.

Sedimental Characteristics of Fouling in Mimic Experiment for Alcohol Production from Molasses

MAO Rui-feng1，GUO Li-dong1，WANG Shuang-fei1,*，LIANG Zhong-yun2，QIN Yan-yan1
(1. College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China；2.Nanning Pumiao Paper Mill, Nanning 530200, China)

In this study, a mimic experiment for alcohol production from sugar cane molasses was used to explore the fouling factors in sedimentary process. Chemical and quality analysis methods were used to characterize chemical compositions and settlement pattern of materials in key process points. The physical and chemical properties of fouling factors were also analyzed during the change of processing. Three important parameters such as apparent fouling, apparent heat-degradable fouling and apparent heat-stable fouling were proposed to illustrate general formation process of fouling in the whole alcohol production process from sugar cane molasses.

molasses；alcohol；fouling；apparent fouling；apparent heat-degradable fouling；apparent heat-stable fouling

TS261.4

A

1002-6630(2010)23-0065-07

2010-08-14

廣西大學(xué)2008—2009橫向科技攻關(guān)項(xiàng)目(BB120016)

毛瑞豐(1963—)，男，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)槲⑸飳W(xué)、生物化學(xué)。E-mail：gnmf@163.com

*通信作者：王雙飛(1963—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)榭稍偕Y源與環(huán)境保護(hù)。E-mail：wangsf@gxu.edu.cn