甜菜制糖(卷名：轻工)
beet sugar manufacturing
以甜菜为原料，经提汁、清净、蒸发、结晶和分蜜等工序制成白砂糖、绵白糖等蔗糖产品的过程。
甜菜属藜科植物，有野生种和栽培种。糖用甜菜是栽培种中的一个变种，通称甜菜。它的块根中含蔗糖高，一般达15～20％，是制糖工业的主要原料之一。其茎叶、青头和尾根是良好的多汁饲料。
世界上有40多个国家种植甜菜，主要分布在北纬30°～63°。种植总面积达800万公顷以上，年总产量近3亿吨，其中约80％产于欧洲。甜菜种植面积和产量最大的国家是苏联，其次是法国、联邦德国、美国和波兰等。西欧一些国家的甜菜单产达50吨／公顷。
中国甜菜主要种植在北纬40°以北，包括东北（黑龙江、吉林、辽宁）、华北(内蒙古、山西)和西北（新疆、甘肃、宁夏） 3大产区。山东、江苏、陕西、河北等省也有少量种植。全国种植面积约50万公顷，其中一半以上在黑龙江。西北产区多采用灌溉栽培，加以日照长，甜菜单产和含糖均较高。
甜菜块根分根头、根颈、根体和根尾 4个部分。根头含糖分低，有害于制糖的物质含量高。根颈是根头和根体的结合部。根体占块根的大部分，含糖分高，含有害物质少，是对制糖最有价值的部分。根尾含糖低，而且易失水萎蔫和腐烂，收获时要切掉。
甜菜块根含糖差异甚大，其他成分也很复杂。一般水分占75％，干固物占25％，其中糖分占17.5％，非糖分占 7.5％。非糖分中的不溶性物包括纤维素、半纤维素、果胶等，占 5％；可溶性物包括含氮物、灰分、还原糖、有机酸等，占2.5％。可溶性含氮物和钾、钠等灰分在制糖中不利于蔗糖结晶，其含量是衡量块根工艺品质的重要指数。
送往甜菜收购站和糖厂的甜菜要经过保藏以便陆续供给糖厂加工。保藏中要防止失水萎蔫和冻化变质，以减少贮存甜菜的糖分耗损和防止品质变坏。
甜菜保藏有田间临时保藏、收购站保藏和糖厂内保藏 3种方式。在糖厂内以草帘和塑料薄膜覆盖甜菜大堆，并加以通风、灭菌，防止甜菜受冻或发热腐烂。在严寒来临时可转入冻藏。将甜菜冻固后集成长20～50米、底宽12～20米、高3～4米的大堆，用塑料薄膜和草帘多层覆盖，防止外界天气转暖时引起甜菜化冻。这样可以较长期保藏，甚至半年以上。
甜菜制糖的过程包括提汁、清净、蒸发、结晶、分蜜、干燥等工序，其中后4道工序的工艺技术与甘蔗制糖的基本相同（见制糖）。
提汁 先要进行甜菜预处理和切丝，然后制取渗出汁。
甜菜预处理和切丝 甜菜在加工前要经过输送、除杂、洗涤等预处理。待加工甜菜存于糖厂甜菜窖，窖下设有截面呈长形、底为圆角的流送沟通往制糖车间。窑内装有水力冲卸器，以5～7倍于甜菜量的水将甜菜冲入沟内。沟上装有除草、除石设备。经流送和除去草石等杂物的甜菜送入洗涤槽，进一步洗净表面附土，除净残留砂石。机械化收获的甜菜由于含杂量大，一般要经两级洗涤。加工冻甜菜时流送洗涤还有解冻作用。流送洗涤废水可回收循环使用。也有采用干法输送的，即用传送机械将甜菜除杂，直接送到洗涤槽。
洗净甜菜通常用斗式升运机或皮带机经磁力除铁后送入切丝机的贮斗中。
常用切丝机有平盘式和离心式，平盘式切丝机主要由垂直轴和旋转刀盘构成。嵌有切丝刀的刀框置于刀盘外圈上，盘中央安装主轴和传动装置并用罩帽盖住，刀盘外缘装有套筒与罩帽形成环状空间，充入甜菜柱。在刀框的上部有一逐渐缩小通道的压菜板，当刀盘旋转时甜菜被夹住压向切丝刀而切成菜丝。离心式切丝机刀框直立于机身的圆周壁上。落入机内的甜菜在随主轴转动的三桨蜗形板和惯性离心力作用下沿筒壁移动而被固定在壁上的刀片切成菜丝。
切丝刀片有带立刃和不带立刃的波纹形刀，也有平板梳形刀。中国多采用带立刃的波纹形刀。切出的菜丝为V形。菜丝应厚度均匀，具有一定弹性和机械强度并有较大的表面积。菜丝群的透水性应良好，以利于糖分提取。新鲜甜菜切出的菜丝长度应在8m/100g以上，碎片小于5％，不含联片。
渗出汁制取 以水为溶剂将菜丝中糖分提取出来的过程称渗出，得到的含糖水溶液叫渗出汁，提取糖分后的菜丝叫废粕。
渗出中要求以一定量的水最大限度地将菜丝中糖分提取出来，而非糖分则尽量保留在废粕中。
甜菜中的蔗糖存在于细胞液中，切成菜丝后菜丝表面上许多细胞被切破，渗出时糖分连同非糖分被浸出。但菜丝内部细胞中的糖分被包在细胞壁内，必须使构成细胞壁的原生质发生变性才能通过细胞壁渗析出来。用加热的方法可使原生质凝固，菜丝被水浸泡时糖分借助渗析作用扩散到水（汁）中，水则渗透到细胞内。这样菜丝中的糖分不断进入汁中，直到汁中的糖分浓度接近菜丝中的时为止。
生产中采用逆流渗出的方法，即菜丝从渗出器的一端连续进入，导向另一端排出;渗出用水则从出菜端连续进入，与菜丝作逆向流动进行渗出后至进菜端排出。由于进水是与将要排出的废粕接触，进菜丝则与含糖分将达最高的汁接触，故菜、汁间始终能保持一定浓度差，使渗出过程得以快速、有效进行。
渗出中菜丝质量、温度、时间、提汁率（所得渗出汁质量对菜丝质量的百分数）、菜丝与汁的接触方式、微生物活动等都是重要控制因素。选用性能优良的渗出器也极为重要。
渗出设备经历了由间断到连续的发展过程，中国在60年代开始用连续渗出器取代间断操作的渗出罐组。连续渗出器主要有转鼓式、喷淋式、塔式、斜槽式等形式，各具特点，工艺效果大体相近。大型渗出器单台生产能力已达7000～10000吨（甜菜）／日或更高，并实行自动控制。
中国甜菜糖厂多采用 Dds斜槽式双螺旋连续渗出器（图1）。器体呈长槽形，与地面成 8°倾角。槽内设两条平行、反向旋转、部分叠交的螺旋推进器。螺旋叶由不同间距的螺带焊成，在同步旋转中将菜丝由渗出器的低端(首端)推向高端（尾端）。首端上面是菜丝进口。渗出器的尾端有可以调节方向的进水喷头和回送压粕水的进水管以及排出废粕用轮。渗出器的侧面和底面有分段夹套式蒸汽加热室。
菜丝经皮带秤称量后，由带式输送机送至渗出器的进菜斗，在双螺旋的推动下菜丝大体沿双螺旋线缓慢前进。温度为50～60℃、pH5.5～6.5的渗出用水及回收的压粕水从渗出器的尾端进入，靠位差与菜丝作逆向流动。底面和侧面的蒸汽夹套中通以来自多效蒸发罐的汁汽，将菜水混合物加热到要求的温度。
渗出温度是重要的控制参数，既要满足甜菜细胞壁原生质凝固的要求，又要防止细胞壁高温水解、菜丝变软失去弹性而导致渗出汁纯度降低和流通困难。适宜的温度还可有效地控制器内微生物的活动。随加工甜菜品质不同，最适温度为70～75℃（新鲜甜菜）或65～70℃（冻甜菜、冻化甜菜）。自身没有加热面的渗出器如转鼓式等，则可用加热后的渗出汁将冷菜丝热烫到70～72℃后，再送入渗出器中。
菜丝在渗出器中大约延留60～80分钟，菜丝中的糖分几乎全被提取出来，废粕含糖约0.3％（对甜菜）以下。
渗出汁通过首端的除渣板输出。用泵送到清净工序。提汁率一般控制在110～120％，以便充分降低废粕含糖又不致过于冲稀糖汁。
渗出汁呈暗褐色，微酸性(pH6.0～6.5)，易起泡沫。除含有12～16％的蔗糖外，还含有 2％左右的多种非糖分。成分受甜菜品质、贮存情况和渗出条件等影响而有很大差异（见表）。
渗出过程中须按需要加入灭菌剂和消泡剂，以维持正常操作，加工冻化甜菜时尤为重要。
渗出器排出的废粕经压榨脱水后得到压粕和压粕水。压粕水经过必要处理后可回收到渗出器中。湿粕（约含干固物6～7％）量约为加工甜菜量的90％。
清净 渗出汁中非糖分的存在会对加工造成困难，影响糖品质量并增加废蜜量和糖分损失。因此在进行糖汁浓缩和结晶之前要进行清净，以尽可能地清除非糖分。清净目的是：①除去渗出汁中的悬浮粒子；②中和渗出汁的酸性；③除去着色物质；④尽量除去非糖分，尤其是表面活性非糖分和胶体物。通过清净使糖汁纯度提高、粘度和色值降低，为煮糖（结晶）制备好优质原料糖浆。
方法 糖汁清净要通过加入清净剂实现。常用清净剂有石灰(CaO)、二氧化碳CO2和二氧化硫SO2。
按照所用主要清净剂的不同，糖汁清净基本上有石灰法、亚硫酸法和碳酸法 3类。后者清净效果最佳。甜菜糖厂通常用甜菜直接生产质量较高的白糖，一般采用碳酸法。通常两次充入碳酸气，又叫双碳酸法。工艺流程见图2。对渗出汁先进行预加灰（以石灰乳形式加入），以中和酸度和最大限度地凝聚和沉淀非糖分（主要是胶体等高分子物质）。然后加热，再加入过量石灰乳，即主加灰，作用是：①使非糖分在强碱高温作用下分解，提高糖汁的热稳定性；②为以后碳酸饱充提供足够的氢氧化钙。主灰汁经加热后第一次充入碳酸气，将氢氧化钙饱充生成不溶解的碳酸钙。新生的碳酸钙对非糖分有良好的吸附作用，与饱充至最佳碱度下凝聚的非糖分结成颗粒沉淀。经过滤除去沉淀非糖分后再加热进行第二次碳酸饱充，使糖汁中剩余的氢氧化钙和钙盐量降至最低限度。否则在糖汁蒸发过程中会使加热面上严重积垢。而非糖分过多的带入糖浆中不但会使结晶发生困难，且提高废蜜量，增加工艺糖分损失。在蒸发前后糖汁还要进行硫漂 (通入SO2)，进一步降低色值和粘度，并起杀菌作用。
双碳酸法清净一般可除去渗出汁中30～45％的非糖分。尽管清净效率还不够高，但许多有害非糖分的去除已可满足结晶前的要求，可生产出质量较高的白糖。碳酸法制糖中的工艺糖分总损失约为 3％（对甜菜），即从含糖15％的菜丝中约可获得12％的糖。
传统的双碳酸法清净还存在着一些缺点，如流程较长，清净效率不太高，石灰耗用较大，对原料质量变化的适应性较差等。近几十年来许多国家对此传统流程作了大量研究，建立了一些更适合于自己条件和要求的改进流程。
中国甜菜糖厂生产期长，加工甜菜中约有70％是冻固甜菜及冻化甜菜。此时甜菜质量下降，渗出汁纯度降低，还原糖含量升高（较新鲜暖甜菜高4～5倍）。因此在清净工艺上要作相应改进才能保证生产正常进行。主要改进工艺有:①在预加灰中增加碳酸饱充泥汁回流，采用渐进预灰设备及延长预灰作用时间。泥汁回流能促进非糖分凝聚沉淀，增大沉淀粒子的粒度和重度。采用渐进预灰可使糖汁碱度均匀逐步上升，胶体凝聚更加完全。预灰作用时间则相应延长至20分钟以上以提高效果。②在主加灰中，一般在暖甜菜加工期间采用热主灰（温度80～85℃），流程较为简单，糖汁过滤性能也好。加工冻菜及冻化腐烂甜菜时采用冷主灰(温度40℃左右)，可降低还原糖分解的增色率，以保证中间制品糖的色值。③为了更好地处理冻化腐烂变质甜菜，在第一次碳酸饱充前增加预饱充过程，让预饱充汁经过滤后再进行两次饱充，可改善糖汁沉降过滤性能并提高清净效率。
设备 上述清净用设备按作用可分 4类：①化学反应设备，包括预灰桶、主灰桶、碳酸饱充罐和硫漂器等。在设备内进行化学反应和改变糖汁pH值，使非糖分凝聚、沉淀和分解。②加热设备，用于加热以降低糖汁粘度，促进胶体凝聚，加速化学反应的进行，在一定条件下还有利于提高糖汁的热稳定性。③过滤设备，包括各种沉降器和过滤机，用以除去沉淀和凝聚的非糖分，获得清汁。④制造清净剂设备，主要是石灰窑和燃硫炉。用焦炭或无烟煤在石灰窑内煅烧石灰石制得石灰和二氧化碳。
离子交换清净技术 为了提高清净效果，制糖工业中开展了离子交换树脂，离子交换膜电渗析、超滤、反渗透、表面活性剂等清净技术的研究。其中离子交换法比较成熟，效果显著。糖汁在清净中如加上离子交换处理，非糖分可除去95％以上，色素物质几乎完全清除，糖汁纯度可达98％，可制成精糖。
离子交换技术主要应用在:①脱盐，用H+型阳离子交换树脂及OH-型阴离子交换树脂脱去糖汁中的盐类。②脱钙，用于处理稀汁，将糖汁中的钙盐转变为钠盐，以减少和避免蒸发罐、加热器壁上结垢。③脱钾、钠，糖浆中存在的钾、钠离子会妨碍蔗糖结晶，增加蜜中糖分。可用镁离子交换树脂将钾、钠离子脱去。④脱色，利用离子交换树脂有吸附色素的作用将糖汁脱色。⑤转化，在H+离子作用下将蔗糖转化成葡萄糖和果糖，制成部分或全部转化的液体糖。
用离子交换法清净糖汁的优点：①提高糖分回收率和产品质量，降低废蜜量。②减少蒸发罐、加热器内的结垢。③对各种不同质量的甜菜具有极强的适应能力。④可用以直接制得精白糖和高级糖浆等。
碳酸法因其经济有效而长期沿用。离子交换法则通常是在碳酸法清净的基础上作深度清净，进一步提高产品质量和产糖率。但终究因费用高、又产生大量重污染度废水而未获普遍采用。
清净后的糖汁再经蒸发、结晶和分蜜而制得砂糖(见制糖)。
废蜜糖分回收 甜菜废蜜中约有50％的蔗糖，不能再用结晶方法进一步提净。回收废蜜中糖分的传统方法是蔗糖盐法。 利用蔗糖能与碱土金属 （钙、锶、钡）的氧化物生成难溶性盐的特性而从废蜜中分离出糖分。常用的是以细石灰粉与废蜜中的蔗糖生成蔗糖三钙沉淀的蔗糖钙盐法，即斯蒂芬法。将废蜜用水或蔗糖钙盐的洗液稀释到糖度约5～5.5％，冷却到10℃以下，边搅拌边加细石灰粉使析出冷蔗糖三钙沉淀。过滤并洗涤沉淀物得到冷饼和滤液。滤液中含有蔗糖一钙和蔗糖二钙，经加热便水解生成蔗糖三钙沉淀，过滤后得到热饼。冷、热饼在桶中混合加水并加热成为蔗糖钙乳，送往制糖车间代替部分石灰乳加入到糖汁中。在糖汁饱充时蔗糖钙被分解成蔗糖和氢氧化钙，从而回收了蜜中糖分。
间断式的斯蒂芬法60年代改进为连续回收的方法。
回收蔗糖的同时，废蜜中所含的棉实糖也被石灰沉淀并回收到糖汁中，最终积累在废蜜中。棉实糖会影响蔗糖结晶。当废蜜中棉实糖含量达5～6％时，煮糖发生困难，不能继续回收而需换蜜。这样，回收率受限。用蜜二糖酶可将棉实糖分解为蔗糖和半乳糖，解除了棉实糖积累问题，废蜜糖分回收率可提高到90％以上。
参考书目
中国农业科学院甜菜研究所:《中国甜菜栽培学》，第1版，农业出版社，北京1984
R.A.McGinnis，Beet-Sugar Technology，3rd Edi.，Beet Sugar Development Foundation，USA，1982.
大连轻工业学院、齐齐哈尔轻工业学院：《甜菜制糖工艺学》，第1版，轻工业出版社，北京，1982。