百年糖業：製糖工場的脫胎換骨
95/01/05
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陳治玄｜
臺灣糖業股份有限公司研究所
甘蔗製糖是一個很古老的產業，即使是新式糖廠在臺灣也已有百年歷史。百年老店技術當然純熟，但客觀環境不停變遷，譬如說新的知識、技術和設備陸續出現，應該引用以提高效率，或者是人工短缺，需要推行自動化，又或是因為加入WTO，使得便宜砂糖得以自由進口，如果不求進步，哪能應付排山倒海的競爭壓力？
不自動化不行
早期製糖業是一個高度倚賴技工的產業，製糖技術的傳承，只靠新舊員工的薪傳，加上手腦並用的經驗累積。因此，往年糖廠中優良技工的培育，沒有速成辦法。但工業起飛以後，百業競興，技工的供需突然失衡，技工流動性加大，糖廠難免遭受衝擊，技術呈現凋零狀態，舊思維的培訓辦法，已不足以應付。幸好自動化適時興起，把技術傳承的關鍵轉換成控制系統的因子，於是推動自動化就成為必然的趨勢。
糖廠自動化分成幾個層次，首先是單一因子，如溫度、液位、流量、酸鹼值等的自動控制，通常採用單一迴路的回饋控制。只需在適當的位置安裝感測器、控制器和閥件等，就可以把控制因子維持在設定的範圍。
其次是數個會相互影響的因子，其控制迴路就複雜多了，有按部就班式的順序控制，也有自動調整設定點的串級控制等。如此這般就可以完成小區域的自動控制，如甘蔗壓搾系統、蔗汁清淨系統、多效蒸發系統等。最後再把類比控制轉換成數位控制，就可以進行更複雜的工作，如電腦煮糖、煮糖排程、蒸氣使用最佳化等。
壓搾平順是好的開始
耙蔗機不如卸蔗臺 甘蔗進廠，第一關是壓搾。首先把甘蔗由臺車卸放在輸送帶上，早期卸蔗靠耙蔗機，用人工操作，耙蔗桿忽伸忽縮，上下左右，不停飛舞，一位師父級操作員，一個鐘頭賣力工作，不過數百公斤。現在一臺卸蔗平臺，只靠一具油壓機，把臺板斜斜頂起、放下，一次起落不過個把分鐘，就把20噸甘蔗傾倒得清潔溜溜。如果安裝幾臺排排坐，只需一個人管理，談笑間每日就可輕鬆處理數萬噸的甘蔗。
壓搾量紀錄像滿月 甘蔗是一車一車地倒，難免成堆成團的，不太均勻。解決辦法是在側輸送帶末端，加裝一道整平機，設定高度限制，甘蔗運送到這裡，凡是超越設限高度的，當頭就是一排刀，絕不寬容。因此進入主輸送帶的甘蔗，大致已經均勻，但為了加強效果，在主輸送帶上再加裝一道整平機，把一些漏網又強出頭的甘蔗整平。甘蔗經過這兩道關卡，蔗床會厚薄穩定，壓搾量紀錄就會像滿月一樣。
馴服碳酸法清淨
碳酸法製糖中的第一段碳酸飽和，本來是使用批式操作，在製程中包含很多人工判斷，因此對熟練技工倚賴頗深。若不幸遇上生手，不僅脫色和清淨效果不佳，連過濾都會發生困難，導致產能降低。解決辦法，是把批式改成連續式，就可以推行自動化，把師父級技工的寶貴經驗，轉換成自動化流程中的控制點。
由批式程序中學習 綜合過去批式操作經驗得知，影響碳酸飽和效果的因子，主要有蔗汁溫度、石灰乳用量和添加方式、攪拌效果、飽和過程中酸鹼值的變化、飽和時間、和終點酸鹼值等。根據這些知識可以設計一套設備，採用以蔗汁流量比例控制石灰乳用量。多點式加灰，可避免發生局部蔗汁過鹼，導致起泡，阻礙碳酸氣吸收；多槽串聯可模擬飽和過程中蔗汁酸鹼值變化；計算適當工作容積，可控制飽和時間等。利用這套系統，任何一位新手，只要按規定操作，都可輕鬆達成任務，不再受資深技工不足的困擾。
節省蒸氣小訣竅－抽用汁汽
糖廠中使用蒸氣的場合很多，大約可分成兩類：一是動力用的高壓蒸氣，如帶動發電機、壓搾機、大型泵等設備所使用的透平機，這類透平機通常都只利用蒸氣中的顯熱，蒸氣高壓高溫進，廢氣低壓低溫出；另一是加熱用的蒸氣，通常是利用蒸氣中的潛熱。
這兩者並不衝突，可以重疊使用，例如高溫高壓蒸氣，先提供給動力設備使用，而後排出的廢氣，再供給加熱。後來更進一步，把多效蒸發罐每效排出來的汁汽，按照溫度的高低，抽出提供不同階段蔗汁加熱使用，這樣可使蒸氣的使用最節省。但溫度過低的汁汽，不方便使用，改善辦法是把整個蒸發系統溫度提高，但是透平機廢氣壓力也勢必跟著提高，為了不讓透平機效率降低，因此鍋爐產生的蒸氣壓力也要隨著升高。
電腦煮糖
煮糖是一項藝術 早期煮糖是一項大規模的批式製程，一罐糖煮下來，短的要耗費二、三小時，長的甚至達十幾小時，這期間要經過十多次進料、濃縮、下種、吃水、開蒸氣、煮緊等步驟。每一次動作的時機、動作種類、動作大小等等，都是靠煮糖技工的眼睛和手指頭觸摸的感覺去做判斷。這種感覺只能意會，不能言傳，稱它是藝術也不為過。但藝術產品無法量產，而低經濟價值產品，又需要量產以求生存，解決辦法只有推行自動化了。
儀器感測沒有情緒 煮糖程序是把糖液濃度維持在些微過飽和狀態下，讓糖分不斷結晶出來。在整個過程中，經常要根據糖液濃度，採取對應的行動。以往糖液濃度的估計，只靠煮糖技工觸感來判斷，新手實在難以體會。經改採儀器如電導度儀、黏度儀、折射儀等，測定糖液電導度、黏度或折射率，來估算糖液濃度，再現性比手感高，而且可以傳承。
電腦代替人腦 在煮糖過程中設下若干節點，每個節點代表一個階段的完成，和下一階段的開始。選擇適當的指標，譬如液位、壓力、時間、濃度等，來判斷是否到達節點，然後根據資深煮糖技工的邏輯思想，擬定反應動作，撰寫成電腦程式，讓電腦取代人腦，執行邏輯判斷，下達執行命令。就這樣測定、判斷、下令、執行、測定、判斷、下令、執行……一點一滴地積成一小段，幾個小段接連成整個煮糖程序。這樣煮糖不僅輕鬆，而且結果也均一化了。
廢棄物處理排放與回收
糖廠像人，每天吃進大量原料，有用的部分消化成產品，不能用的部分則需要定期排出廠外，否則會在廠內累積，把生產線堵死。糖廠裡產生的廢棄物，主要有濾泥、爐灰、煙道氣和廢水。其中濾泥和爐灰，有的可以做肥料和土壤改良劑，有的則需要空地掩埋。煙道氣由於含有未完全燃燒的炭粒，直接排放會污染附近的環境，因此須先經處理，再予以排放。廢水則因化學需氧量（COD）的值較高，會使下游水中缺氧，也不宜直接排放。
水洗煙道氣 讓煙道氣通過一組篩板，板上維持適當高度的水層，使氣和水充分接觸，可以把炭粒留在水中而除去，這種濕式篩板的除塵效率可達98％。被氣體帶走的水滴，在篩板上方的除霧器中回收，而含炭的煙灰水，經沉澱過濾後，可以循環使用。
兼曝氣聯手消化廢水 糖廠廢水不能隨意排放，因為它的COD值太高，其成分主要是蔗糖，可以採用生物處理有效消除它。生物處理方法很多，但若兼顧成本和效果，兼曝氣法絕對名列前茅。兼曝氣法是前段用兼氣（表層廢水有些溶氧，下層廢水是厭氣發酵），後段用曝氣。對於COD值偏高的廢水，兼氣槽停留時間需要酌量加長，把絕大部分COD消耗掉，因為曝氣槽雖然效率高，畢竟要消耗能量，最好避免增加負擔。
尾水回用 早期工廠少，用水大戶不多，水資源寬裕，當時建廠設計，每噸甘蔗需要15～20噸水，因此工場多靠近河流，以便利取水。後來新興工廠林立，水源嚴重不足，開始限額分配，糖廠用水寬鬆已慣，突然緊縮，難免顧此失彼，焦頭爛額。只好把最大宗用水－冷凝器的尾水，經過冷卻水塔降溫後，回收再用，一下子節省了95％用水，誰說由奢入儉難？
零排放沒有水污染 糖廠經過嚴格減廢後，廢水量可減少到甘蔗量的十分之一，再經兼曝氣處理，其放流水可以摻入冷凝器尾水中，以補充冷卻水塔的飛濺和蒸發損失，最後可以達成零排放境界。既無排放，哪來污染？解決了水荒，又符合環保要求。
化腐朽為神奇 甘蔗榨糖後留下的蔗渣，除當做燃料供給糖廠能源外，通常還有剩餘，最好的利用是做為紙漿廠原料。可是紙漿廠因為污染環境嚴重，不能開工，這些剩餘的蔗渣，就成了垃圾，需要處理。於是把濃廢水，或稱廢醪，噴灑在蔗渣上，經過發酵、翻堆、成熟，就成了很好的有機肥，點石成金 。
糖品家族子孫繁茂
做為人類最愛的甜食原料，它的子孫繁茂，沒有人能全盤清楚。我們熟知的細砂，嚼起來就像砂子那樣地磨牙齒，可是那入口即化的黑糖、以及像水晶一樣晶瑩剔透的冰糖，給人感覺是截然不同，可也是糖的直系血親，這些又是怎麼做的呢？
入口即化微晶糖 新式糖廠都有結晶罐和分蜜機，生產的是分蜜糖。而舊式糖廠做出來黑黑的、帶有甘蔗風味、入口即化的古早糖，那是含蜜糖，也就是甘蔗汁中的雜質、氣味、營養分等都不分離，留在糖中。
結晶糖和含蜜糖之間的差異，除了純度之外，兩者結晶的過飽和條件也不同。結晶糖是放進糖種，在穩定的過飽和度區域下，讓結晶長大。而含蜜糖則是在更高的過飽和度下，以激動起晶的方式，瞬間產生大量的晶核，並讓晶核產生過程中所放出的熱量，把水分蒸乾，所以晶粒微小，團聚成塊，而且蜜和結晶不分離。
揭開冰糖的神祕面紗
中醫認為食補要用冰糖，不但燉燕窩要冰糖，紅燒肘子要冰糖，發酵生產水果酒也要用冰糖。好像不用冰糖，就到不了那崇高的境界。但是我們所了解的冰糖，只不過是經由時間的累積，換來晶粒更大、純度更高的糖結晶而已。不過古代要用冰糖的原因，可能是因為當時沒有真空結晶罐，也沒有高速離心機，冰糖是當時工藝技術所能得到最純的結晶糖。現在的冰糖和細砂，在純度上幾乎相同，最大的差異只在晶粒大小，如果說大的結晶格子，會具備某種特殊魔力，那可是匪夷所思了。
冰糖因為晶粒大，所以在堆疊時會有架橋的現象，這使得水果所呼出的微量水氣，可緩慢地溶解冰糖，進而維持整個容器上下都有穩定而適當的糖分，供應微生物發酵所需。相對地，細砂就因為太小，只會全部落到底部，這或許就是水果酒發酵要用冰糖的道理吧！
一線曙光
時過境遷，臺灣脫離農業社會結構已久，人工成本飆升。糖業經營從種蔗到製糖，都需要大量人工。工廠推行自動化，固然可保留製糖技術，也節省了不少人工，但對照農務上的需求，不過杯水車薪，因此國產砂糖成本居高不下，根本無力與低成本生產的進口砂糖競爭。顯然臺灣糖業的黃金時代已經消逝，現在若還想從砂糖產品上獲利，勢將徒勞無功。但一息尚存，怎可輕易放棄呢？
柳暗花明又一村 轉個念頭，從能源觀點出發，甘蔗可是單位面積土地上，吸收太陽光能效率最高的農作物之一。而植物在進行光合作用過程中，所消耗的二氧化碳數量，又正比於所吸收的太陽能量。因此甘蔗應該是極具競爭能力的能源作物，又是環保的大功臣。若再把砂糖主打為副產品，一種蠻有價值的副產品，這樣臺灣的甘蔗糖業，或許還有它的第二春呢！
在巴西，很早就發展出以甘蔗汁直接發酵生產酒精，並把酒精加入汽油中使用，不僅可以減少石化產品的消耗，又可增加燃燒效率，提高空氣的品質，只是需要有修改汽車引擎和加油系統的配套措施。巴西能，我們應該也能吧。
