專利名稱：用于乙醇制備的小型精煉系統的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及用于遠程監測小型乙醇精煉系統并且處理來自小型精煉系統 的數據的系統和方法，其中所述小型乙醇精煉系統將原料和/或廢棄的含醇液體轉化為乙
背景技術：
乙醇發酵涉及這樣的生物過程，通過該過程，糖(例如)被轉化為可以用作內燃機 的燃料的乙醇。可以利用淀粉類或糖類原料制備乙醇或乙基醇。采用大型發酵器將糖和酵 母轉化為乙醇。在發酵后，采用蒸餾工藝將乙醇與其它液體分離。可以將無水乙醇與汽油 混合，然后運送到汽油終端或銷售商。使用大型工業乙醇發酵設備的問題是制備需要產生大批量乙醇的大規模機械。然 后必須將乙醇與添加劑混合，轉移到輸送車上，并且輸送到加油站。這些大型的乙醇制備設 備也需要大量的專門訓練的技術人員，以在每天M小時工作時操作并監測精煉處理過程 和裝置。所需要的是更簡便的用于制備小批量的乙醇的小型精煉系統，該系統利用能夠由 未經訓練的個人遠程地和/或自動地操作并監測以保持最優的性能效率的機械。
發明內容
本發明涉及由糖或含醇飲料制備乙醇的小型精煉系統。小型精煉系統與計算機網 絡相連，所述計算機網絡允許小型精煉系統與各種計算機通訊。小型精煉系統還可以包括 提供系統操作數據的多個傳感器。小型精煉系統可以提供狀態信息，并且進行自動操作，例 如根據儲存或消耗速率投入所需的供應原料。該系統可以監測原料儲存情況，并且估測保 持用戶乙醇消耗所需的供料。小型精煉系統還可以通過與任何監管實體的電子通訊而提供制備信息。該系統還 可以利用任何處理機制指示是否存在任何問題。如果系統需要維護或維修，則小型精煉系 統可以傳送指示所需服務的要求的信號。該系統可以將信息傳送給用戶計算機，從而使得 用戶可以請求服務，或者在另一個實施方案中，該系統可以自動地將服務請求傳送給服務 提供者。當在用戶所在地安裝小型精煉系統時，該系統可以與電源、水源和液體排放源相
4連。由于系統包括燃料泵，因此應當將其安裝在容易進入車輛的位置。小型精煉系統的設 置需要位于水平面上，并且使其與水源、電源和廢水排放源相連。小型精煉系統自動操作， 并且由用戶計算機或系統管理操作者計算機對系統操作進行監測和控制。可以通過用戶界 面監測和控制該系統，并且/或者可以通過傳送器將數據傳送到計算機網絡，如因特網。然 后可以通過網絡將操作信息和系統控制信息傳送到用戶計算機或系統管理計算機，使得可 以遠程監測操作情況。當將小型精煉系統安裝在用戶所在地并且用戶打開該系統時，系統可以進入啟動 程序，以檢測各系統是否操作適當。一旦系統準備開始工作，包含糖、酵母和酵母營養液的 原料與水在發酵罐內混合。發酵罐是包括攪拌器、溫度控制機構和測力儀的密封單元。測量 系統檢測置于發酵罐中的原料成分，以及與原料混合使得能夠開始發酵過程的水的體積。 控制系統管理泵、攪拌器、閥、通風機、傳感器和電熱冷卻器，以便自動地保持合適的化學混 合物和發酵環境。在該過程中，酵母菌消耗糖，并且將其轉化為乙醇、二氧化碳氣體和熱量。 在一個實施方案中，系統可以通過檢測所釋放的二氧化碳并且檢測批料的化學成分，從而 監測發酵過程。可以通過控制材料流入罐中的控制閥從而手工或自動地引入原料。系統可以通過監測測力儀的輸出信號，從而檢測批料成分的初始重量。如果依次 獨立地輸入原料成分，則在加入各原料成分之后將各成分的重量由重量的變化表示。基于 所檢測的原料重量，可以計算相應合適的水的重量/體積。可以通過測力儀或流量測量系 統，從而檢測引入到罐中的水的量。在一個實施方案中，罐還可以具有檢測發酵罐中的液體 體積的傳感器。液體傳感器可以包括與罐中的可變電阻相連的浮子。當罐充滿的時候，電 阻被設定為其較低電阻值。當罐空的時候，浮子沿著電阻滑動，從而改變電阻值。往下的移 動可以增加液體傳感器的電阻值，并且電阻在罐空的時候達到最高值。可以根據所檢測的 電阻值對系統進行校正，從而計算液體的體積。然后，系統可以用攪拌器將原料、糖和水進行混合。隨著發酵過程進行，酵母和糖 的反應產生熱量。系統還可以控制發酵罐內的溫度，使得其保持發酵的最優溫度范圍。通 過監測溫度，加熱系統可以確定發酵罐是需要加熱、冷卻還是保持目前狀態。在一個實施方 案中，溫度控制單元為與發酵罐相連的熱板，并且能夠通過轉換施加給熱板的電壓的極性 而對內容物既進行加熱，又進行冷卻。在發酵過程中，原料和糖被轉化為乙醇和二氧化碳。 二氧化碳從發酵罐中放出并且發酵罐中的材料的重量隨著乙醇產生而降低。通過檢測材料 材料重量隨時間的變化，系統可以確定發酵過程的狀況和進程。在一個實施方案中，系統可以檢測發酵成分的混合物，以確定混合比例或配方是 否合適，以及批料是否在發酵。在發酵過程中，從發酵罐中周期性地取出批料液體樣品，并 且置于包括一個或多個傳感器的測試區域內。可以使用與泵相連的管從批料中取出樣品， 并且將樣品置于測試區域內。傳感器可以檢測物理性質，如傳導性、PH值水平、光學折射率 或光學波長吸收性和熒光率。對傳感器輸出信號進行分析，以測定發酵罐中的化學成分的 量。在測試樣品之后，系統可以使樣品返回到批料中。為了監測發酵過程，系統可以在整個 批料過程中連續地或周期性地測試批料樣品。因此，樣品取出系統可以連續地將一部分批 料泵送到測試容器內，或者可以周期性地將測試樣品輸送到測試容器內。在一個實施方案 中，可以直接在發酵罐中測試批料，而不將樣品移送到獨立的測試室內。一旦傳感器對批料樣品進行了測量，將所檢測的特性與預期或最優的值進行比較，所述預期或最優的值可以被儲存在預先編程的數值查找表中，或者由運算法則演算得 到。通過將所檢測的化學成分與查找表或遠程通訊反饋進行比較，系統可以測定批料是否 含有最優混合比的批料成分。如果在所檢測的值和預期的值之間存在實質性區別，則系統 可以確認化學成分是否缺乏或過量。然后，系統可以告知用戶應當加入到罐中以校正批料 的化學成分。在其它實施方案中，化學品可以儲存在內部，并且小型精煉系統會自動地將材 料加入到發酵罐中，以校正批料混合物的化學失衡。在一些情況中，成分的最優混合物或比例可以以環境條件為依據。雖然系統可以 控制罐的溫度，但是額外的傳感器測量環境氣氛的變化，如溫度、濕度、大氣壓力等。當檢測 到氣氛的變化時，系統可以調閱查找表，或者獲得成分的適當比例的在線遠程反饋。然后， 系統可以將罐中的材料混合比調節至環境條件下的理想配方。系統還可以打開冷卻或加熱 元件，從而保持罐中的適當氣氛。在完成發酵過程之后，發酵罐包含乙醇和水。通過蒸餾系統將乙醇與水分離。在 幾天的一段時間內，乙醇和水被緩慢地加熱，并且由發酵罐泵送通過蒸餾柱，從而產生乙醇 和水的蒸氣。由于這些材料的沸點不同，因此乙醇蒸氣傾向于升至蒸餾管的上部，而大多數 水蒸氣則在管壁上冷凝，并且不會離開蒸餾管。由于系統可以安裝在不均勻的表面上，并且為了適當的蒸餾必須豎直對齊，因此 系統包括用于蒸餾管的豎直對齊系統。在一個實施方案中，萬向接頭與蒸餾管的上半部相 連。由于蒸餾管的大部分重量位于萬向接頭之下，因此其傾向于旋轉為豎直對齊方式。系 統只可以允許在對齊過程中自由旋轉。在進行對齊之后，系統可以將蒸餾管鎖定在合適的 位置，從而防止在蒸餾過程中旋轉移動。蒸餾管可以填充有材料填料或水平的打孔板，其被用于將蒸發的發酵醪與醇分 離。理想地，發酵醪和乙醇進入蒸餾管的下部和發酵醪蒸發。水和其它較重的材料被填料 或板堵住。與此形成對比的是，乙醇會傾向于保持為蒸氣形式，并且繼續沿著蒸餾管向上移 動。這有助于將水和其它污染物與乙醇蒸氣分離。在一個實施方案中，將多個板豎直地偏置于蒸餾管中。然而，在優選的實施方案 中，將傾斜一定角度的打孔板置于蒸餾管中。可以對打孔板上的孔尺寸進行調節，以優化蒸 餾性能。當小型精煉系統已經運行較長時間或短暫終止生產時可能發生問題。發酵醪可能 殘留在冷凝管內的填料或打孔板上，從而導致孔和/或填料堵塞。然后必須在系統能夠以 最優效率操作之前對整個冷凝管進行清潔。為了減少這種堵塞問題，板可以成一定角度，使 得在水和發酵醪蒸氣在板上冷凝時，重力傾向于將冷凝液朝板的下邊緣引導。由于發酵醪 傾向于遠離孔移動，因此對蒸餾管破壞的可能性明顯較小。在一個實施方案中，蒸餾管為多件式單元，該單元可以被拆卸為多件。如果板或填 料需要進行更換或修復，可以將蒸餾管拆開，并且可以到達內部表面。在一個實施方案中， 蒸餾管可以沿其長度具有一個或多個連接件。連接件可以具有任何適當的設計。在優選的 實施方案中，連接件可以包括在蒸餾管的各部分旋轉時與鉤子配合的梢子。沿一個方向旋 轉使得各分段以軸向對齊的方式連接，并且沿相反方向的旋轉允許各部分松開并且分離。 當各分段連接在一起時，可以使用鎖定機構防止各分段旋轉。使離開蒸餾管的蒸氣通過分離膜，以將乙醇與其它液體分離。膜可能由于過快地 暴露于熱蒸氣中產生的熱沖擊而受到破壞。為了防止膜受到熱蒸氣的破壞，系統可以包括預加熱機構，以及檢測膜溫度的溫度傳感器。預加熱機構可以為在膜暴露于熱蒸氣之前逐 漸地加熱膜的加熱器。可以通過控制器控制預加熱，所述控制器可以調節熱量增加的速率， 從而防止對膜的破壞。當膜溫度與熱水和乙醇蒸氣的溫度接近時，系統可以打開閥，從而允 許水和乙醇蒸氣流過膜。膜具有允許較小的水分子通過、而較大的乙醇分子不通過的小孔，其中所述乙醇 分子流過離開口。可以使用真空引導水蒸氣通過膜孔。在水與乙醇分離之后，多個換熱器 和電熱冷卻器將乙醇和水蒸氣重新轉化為液體。水被回收，并且燃料級乙醇流入儲存罐，并 且可供使用。在一個實施方案中，小型精煉系統存儲乙醇以及汽油。在一個實施方案中，用 戶控制乙醇與汽油的混合比例。當需要燃料時，只需向加油站那樣通過軟管和管嘴將混合 的燃料分配。小型精煉系統還可以包含能夠檢測系統元件性能和裝置失效的傳感器。各種類型 的傳感器可以包括在系統中。壓力傳感器用于檢測泵、柱流動和馬達泵的失效條件。電學和 光學傳感器可以測定糖、酵母、各種營養物、醇、水和PH平衡內容物。溫度傳感器測量內部 柱子、換熱器、水儲存水平、乙醇儲存水平、熱電冷卻器、熱電加熱器和環境氣氛內外的環境 蒸餾情況。加速計或應變式傳感器測量發酵罐重量。電壓和電流傳感器測量柱加熱元件、 馬達、泵以及電源輸入和輸出電壓。射頻傳感器檢測Wi-Fi或數據單元網絡。通過這些傳 感器，可以監測系統操作情況。傳感器數據可以由傳感器傳送到控制器內，該控制器能夠分 析、處理和顯示所檢測的信息。
圖1為小型精煉系統的一個實施方案的側視圖；圖2示出電熱機構；圖3為示出批料重量隨時間的變化的圖；圖4示出萬向接頭機構的圖；圖5示出蒸餾管板組件的俯視圖；圖6示出蒸餾管板組件的側視圖；圖7示出具有多個連接件的蒸餾管；圖8-10示出蒸餾管連接件的一個實施方案；圖11示出用于分離水和乙醇的多孔膜的剖視圖；圖12示出系統控制器、以及與傳感器和小型精煉系統的控制機構的連通；圖13示出小型精煉系統和其它系統計算機之間的通訊連通；圖14示出用于監測批料熒光率的傳感器；圖15示出用于監測批料的光學波長吸收傳感器；圖16示出用于監測批料的光學反射傳感器；圖17示出用于監測批料的pH傳感器；圖18示出用于監測批料的氧氣傳感器；以及圖19示出用于監測批料的電阻傳感器。
具體實施例方式參照附圖1對本發明的小型精煉系統101的各部件進行描述。在一個實施方案中， 發酵罐103置于一個或多個測力儀105上，該測力儀105檢測下游的力，并且產生相應的電 輸出信號。測力儀105與系統控制器151相連，該系統控制器151在整個乙醇轉化工藝中監 測罐103以及罐103中所有內容物的重量。測力儀105輸出信號與所檢測的重量成比例。 在一個實施方案中，系統控制器151可以進入校正程序，該程序檢測空罐103的重量，并且 將空罐重量儲存為補償值。然后可以將補償值從任何檢測的重量中扣除，使得系統控制器 151可以檢測引入到罐103中的材料的重量和量。可以在每次處理一批材料時重復發酵罐 103的校正過程。系統控制器151可以提供顯示和/或音頻指令，該指令可以基于待制備乙醇的估 測量而指示引入材料的次序和量。例如，在一個實施方案中，用戶可以輸入所需乙醇的量。 然后系統計算預期所需的材料量，以產生所需的乙醇量，并且指導用戶引入特定量的糖和 原料。為了啟動發酵程序，打開蓋子111，并且將特定比例的糖和原料引入到罐103中。在一個實施方案中，糖是加入到發酵罐103中的第一材料。通過系統控制器151 檢測糖的量，并且確定相應的水的體積。在加入糖之后，系統控制器151可以指導用戶引入 原料。系統控制器151可以檢測原料的重量，并且提供關于加入到發酵罐中的原料量的指 令和信息。系統控制器151可以檢測引入材料的重量，并且可向用戶提供指令，如加入更多 材料、在制備時降低材料引入速率以停止加入材料、以及停止加入材料。系統控制器151可 以具有指示向罐中加入材料的體積的目視顯示器，因此用戶知道何時應當終止加入材料， 以產生所需量的乙醇。系統控制器151還可以提供是否產生錯誤的反饋。例如，如果系統 控制器151檢測到加入過多的糖，則系統可以通過增加加入到發酵罐103中的原料的量來 補償加入額外的糖的錯誤。在另一個實施方案中，可以將糖、酵母和其它原料成分(如磷、硫、鉀、鎂、礦物、氨 基酸和維生素)儲存在與發酵罐103相連的容器191內，并且控制系統151可以控制與容 器相連的閥193。因此，控制系統151可以將所需的材料加入到發酵罐103中，從而自動引 入糖、酵母和其它成分。系統還可以允許手工將大量的初始材料引入到發酵罐中，然后加入 儲存在容器內的額外的材料，以根據需要調節批料。當將適合體積和比例的原料和糖引入 到發酵罐103中時，關閉蓋子111。蓋子111可以具有鎖定機構，以防止在完成處理之前其 它任何材料加入到罐103中。如上所討論，系統控制器151檢測發酵罐103中的糖的量，并且計算發酵過程相應 的水的體積。系統可以自動地將發酵處理所需體積的水加入到罐103中。可以基于從水儲 存罐103計量流入的水檢測水的合適體積。或者，系統控制器151可以檢測水的重量，并且 基于已知的體積重量計算所加入的水的體積。系統控制器151與水罐181和發酵罐103之 間的閥相連。系統控制器151可以打開閥，以使水流入罐103中，并且當檢測到合適的體積 重量變化時，系統控制器151可以關閉閥。在其它實施方案中，可以手工將水加入到發酵罐 103中，并且系統會指示何時已加入合適量的水。在發酵罐103中存在水、原料和糖的合適混合物時，系統可以通過使攪拌器107旋 轉從而將批料成分混合，以混合各材料。在一個實施方案中，馬達109被用于轉動與攪拌元 件107相連的軸115。攪拌元件107可以為細長的成角度的混合葉片，其在旋轉時使罐103
8中的液體循環。需要進行混合，以使原料中的酵母與發酵所需的糖和營養液相接觸。雖然 示出單個的攪拌器107，但是在其它實施方案中可以使用多個攪拌器，以混合材料，并且防 止糖和原料在罐103的角落結塊。在一個實施方案中，控制系統151可以通過攪拌器107的旋轉電阻或粘度檢測批料 是否混合適當。較低的電阻或粘度表示攪拌器107僅與水接觸，而較高電阻可以表示攪拌器 107與糖或原料的結塊接觸。系統可以被構造為使發酵罐103中的攪拌器107和軸115移動， 以完全混合批料。在混合過程中，旋轉電阻是混合狀態的指標。當旋轉電阻保持不變并且對 應于混合物的合適電阻范圍時，材料可以適當地混合。一旦檢測到合適的混合粘度，則材料被 適當地混合，并且在發酵過程中可以終止攪拌器107的旋轉或者使其周期性運轉。在發酵過程中，酵母在水中被稀釋時吸附糖。該反應在發酵過程的最后產生50% 的乙醇和50%的C02。以下的化學方程式總結了這種轉化過程C6H12O6 (葡萄糖)一2CH3CH20H (乙醇)+2C02+ 熱量在其它實施方案中，小型精煉系統能夠處理纖維材料，以產生乙醇。纖維性乙醇由 植物廢料制得，所述植物廢料例如為木屑、玉米棒子和玉米桿、小麥桔和甘蔗莖、干和葉子 或地方性的固體植物廢料。纖維性燃料生產的優點是小型精煉系統可以被構造為處理地區 性的植物材料，從而減少輸送成本。例如，位于中西部的小型精煉系統可以被構造為處理小 麥秸和玉米殘渣。在美國西部，小型精煉系統可以處理甘蔗莖。在太平洋西北部和東南部， 木材可以被轉化為乙醇。玉米容易被處理，因為玉米具有酶可以容易地將其分解為糖的淀粉，并且酵母將 糖發酵，從而產生乙醇。與此形成對比的是，纖維性莖和葉含有更難以分解和分開的碳水化 合物，因為它們緊密地與其它化合物結合。因此，需要特定的處理，以由纖維性農場廢料制 備乙醇。更具體而言，在發酵罐中需要特定的酶，以分解碳水化合物。除了特定的酶之外， 農場廢料處理需要基因改造的細菌，以將農場廢料糖發酵為乙醇。使用農場廢料的另一個問題是其可能與諸如巖石、粘土和沙礫等土壤物質混合， 所述土壤物質可能破壞小型精煉部件。為了防止這種破壞，可以用研磨機將纖維性材料研 磨，以在處理之前更精細地弄碎材料。還可采用給纖維性材料施加熱量、壓力和酸的機械將 纖維性材料分為葡萄糖和非葡萄糖類糖。熱和壓力產生糖和纖維漿料混合物。非葡萄糖性 糖從纖維上洗掉，并且基于葡萄糖的纖維被酶處理，從而分解，并且使糖與纖維分離。所分 離的糖然后由特定的細菌微生物發酵為含有乙醇、水和其它殘渣的發酵醪。在發酵之后，小 型精煉系統使發酵醪蒸發，使得乙醇蒸氣通過蒸餾管上升，從而將乙醇與水分離。來自蒸餾 管的蒸氣通過多孔過濾器處理，如上所述，該過濾器被用于將乙醇蒸氣與任何殘留的水蒸 氣分離。在另一個實施方案中，采用不同的工藝分離葡萄糖和非葡萄糖性糖。可以通過將 纖維性材料與約25-90重量％的酸溶液混合，從而將葡萄糖與非葡萄糖性糖的混合物分 離。酸至少部分分解纖維性材料，并且將材料轉化為包含固定材料和液體部分的凝膠。然 后，將凝膠由約20重量％稀釋為約30重量％，并且加熱凝膠，從而至少部分地將材料中所 包含的纖維素分解。然后，可以將液體部分與固定材料分離，從而獲得含有糖和酸的混合 液。然后，通過樹脂分離將糖與混合液中的酸分離，從而產生含有總量為15重量％的糖并 且酸含量低于3重量％的混合糖液。
獲得混合糖的方法還包括將分離的固體材料與約25-90重量％的硫酸的溶液混 合，從而進一步分解固定材料，以形成包含第二固定材料和第二液體部分的第二凝膠。將第 二凝膠液體稀釋為約20重量％至約30重量％的酸濃度。然后，將稀釋的第二凝膠液體加熱 至約80°C至100°C的溫度，從而進一步將第二凝膠中殘余的纖維素水解。將第二液體部分 與第二固定材料分離，從而獲得含有糖和酸的第二液體。可以將第一和第二液體組合，以形 成混合液。葡萄糖分離方法在2004年1月沈日提交的美國專利申請No. 10/485，285中具 有更詳細的描述，其以引用的方式并入本文。用于由纖維性材料制備乙醇的所述方法具有 許多優點。樹的剩余物、草坪修剪物和其它植物殘骸通常被廢棄在填筑池中。通過利用這 些材料制備乙醇，所產生的廢物填筑池顯著減少，小型精煉系統具有基本上自由的原料源， 并且產生更少的溫室氣體。發酵要求進行適當的溫度控制，以保持各成分在合適的發酵溫度范圍內。如果酵 母溫度過低，則酵母可能休眠，并且發酵減慢，而如果溫度過高，則酵母可能被殺滅。存在各 種類型的酵母，其中一些具有高溫耐受性。發酵罐103的內部溫度應當在約60至90華氏 攝氏度之間，以保持酵母培養存活。為了增加發酵速度，溫度可以保持為酵母耐受溫度范圍 的較高一端。在一個實施方案中，系統101還包括能夠與發酵罐103相耦合的熱電機構113。熱 電機構113由直流電源供電，并且保持罐103中的最優處理溫度。為了提供均勻的溫度控 制，可以將多個熱電機構113附連到罐103的多個分段。在一個實施方案中，系統控制器 151與熱電機構113相連，并且在發酵罐103中安裝有溫度傳感器。系統控制器151從溫度 傳感器接收與罐的內部溫度相應的信號，并且確定罐103是否處于合適的溫度范圍，或者 批料是需要加熱還是冷卻。如上所討論，發酵過程產生熱量，因此在一些情況中，可能不需 要對罐103進行加熱或冷卻。如果系統檢測到發酵罐103過冷，則系統控制器151以加熱 工作模式向熱電機構113施加直流電能。如果發酵罐103的溫度過高，則可以通過將電源 的極性與熱電機構113逆轉，從而使熱電機構113轉換為冷卻模式，以降低罐103的溫度。 當發酵罐103的溫度位于發酵的合適溫度范圍或最優溫度范圍內時，系統控制器151還可 以關閉熱電機構113的電源。最優的溫度范圍可以取決于待發酵的酵母的具體種類，但是 其通常在約25°C至30°C之間。在另一個實施方案中，系統可以利用泵119，該泵119將批料泵送通過與發酵罐分 離的熱電散熱器117，然后使批料返回到發酵罐中。如果系統控制器151檢測到批料過冷， 則驅動泵119被驅動以將批料泵送通過熱電散熱器117 (其由控制器151控制)，從而對批 料進行加熱。或者，如果系統控制器151檢測到批料過熱，則驅動泵119被驅動以將批料泵 送通過熱電散熱器117 (其由控制器151控制)，從而將批料冷卻。熱電散熱器117的出口 可以與發酵罐103相連，使得所有經熱處理的批料均返回到發酵罐103中。在一個實施方案中，系統可以用于各種環境中，并且能夠在各種環境條件下制備 乙醇。這需要在高溫區域和季節將發酵罐冷卻，并且在低溫區域和季節將發酵罐103加熱。 在位于更極端環境條件下的系統中可以使用更多的熱電機構113。在一個實施方案中，用戶 可能簡單地購買并且安裝熱電機構113，以補償更熱或更冷的溫度。還可以通過將小型精 煉系統置于保護性外殼內并且為小型精煉系統添加隔熱裝置，從而減少極端環境溫度的影 響。
參照圖2，在一個實施方案中，熱電加熱和冷卻機構113可以具有圍繞陶瓷芯體 209的兩個金屬板205和207。當充電時，板205和207發生震蕩，從而產生冷側205和熱 側207。在一個實施方案中，兩個板205和207 —直在205和207這兩側之間保持69°C的 溫差。通過由系統控制器151控制的直流電源203為板205和207施加電壓。可以通過由 電源203將所施加的電能的極性逆轉，從而控制熱電機構113的加熱或冷卻輸出。由于熱 電機構113尺寸較小(直徑約為2至4英寸)，因此熱電機構113對于小型的冷卻和加熱應 用(如發酵罐中的批料)是理想的。可以將熱電機構113安裝在發酵罐103的壁上，或者如參照圖1所討論的那樣，熱 電機構可以被構造為熱電散熱器117。可以將發酵液泵送通過熱電散熱器117，以進行加熱 和冷卻。因此，熱電加熱和冷卻機構113以及熱電散熱器117可以冷卻批料發酵罐，或者通 過通過系統控制器151逆轉施加給熱電機構113和熱電散熱器117的直流極性，從而加熱 批料。在優選的實施方案中，發酵罐103容納約200加侖的液體。熱電機構113對于處 于這種液體體積范圍的小規模發酵批料是實用的，但是缺乏足夠的熱能對更大規模的商業 發酵處理進行熱控制。因此，熱電系統可以與本發明的系統一起用于控制約200加侖的液 體的溫度，但是不合適對1，000加侖以上的商業發酵處理罐進行溫度控制。發酵過程的問題是其并不總是可預測的過程。完成發酵過程所需的時間隨著糖的 和酵母的純度以及批料溫度而改變。監測發酵過程的一種方式是監測發酵液的重量變化。 在發酵過程中，糖轉化為乙醇和CO2，該CO2從發酵罐103中排出。因此，CO2的排出使得批 料重量降低。在一個實施方案中，采用力傳感器105在發酵過程中周期性地或連續地檢測 批料的重量。隨著CO2從發酵罐103中排出，批料變輕。系統可以通過監測批料的重量，從 而監測批料發酵的進程。可以確定批料的初始重量，并且儲存在儲存裝置中。批料的變化 由糖轉化為從發酵罐103中排出的CO2而引起。當批料的重量減低已知的百分比時，系統控 制器151可以確定發酵過程結束。或者，當重量的降低速率減慢或停止時，系統控制器151 可以確定發酵過程結束。還可以將CO2傳感器與發酵罐相連。由于排出CO2，罐103中的(X)2 水平較低表明批料產生了較少了 C02。如上所討論，力傳感器105可以用于在發酵過程的開始檢測裝在罐103中的糖、原 料和水的初始重量。然后，可以通過以一定的時間間隔對力傳感器105采樣，從而周期性地 檢測重量。通過監測批料隨時間的變化，重量隨時間的變化速率可以用于確定發酵過程中 批料的狀態。例如，參照圖3，示出了批料的重量隨時間的變化的圖示。在發酵過程開始時， 批料的重量相當快速地降低。隨著糖轉化為乙醇的過程進行，重量減低的速率減慢。最后， 重量變化變得很低，從而表明發酵過程結束。除了檢測批料的重量之外，系統還可以對批料成分進行化學檢測。在一個實施方 案中，小型精煉系統包括圖1所示的批料測試機構171，其能夠檢測批料的化學成分，并且 可以包括光學、電學、化學或任何其它類型的化學傳感器。輸送機構可以包括與泵173相連 的管175，從而將批料的樣品輸送到測試機構171。測試機構171可以與控制器151相連， 并且可以用于檢測發酵過程中批料的化學平衡。將由測試機構171檢測的批料成分的量或 比例與可以儲存在查找表或者有其它來源提供的最優值進行比較。批料成分的最優比例可 以在發酵過程中改變。如果在測定值和最優值之間存在明顯的差異，則控制器151可以將傳送指出該問題的信號，并且/或者控制器151可以自動地將化學成分加入到發酵罐103 中，以使批料重新平衡。通過在整個發酵構成中連續地測試和調節批料，可以最大化地由批 料制備乙醇。以下對化學測試機構中所用的傳感器的更具體的例子和說明進行描述。雖然針對發酵糖和原料的發酵罐103進行了以上描述，但是本發明的系統還能夠 處理不同的材料，并且可以由回收的酒精飲料(如啤酒、葡萄酒和其它的含醇產品)提取乙 醇。用戶可以將小型精煉系統的功能選擇為糖發酵罐或廢棄醇的處理器。在糖發酵模式中， 小型精煉系統將糖發酵，從而產生上述的醇。在醇回收模式中，含醇產品還在由蒸餾系統處 理之前進入發酵罐中，以轉化為乙醇。多功能設計提供了回收通常存在于酒吧餐館或葡萄 酒廠的糖或廢棄醇的商業優點。在糖發酵之后或期間，可以向發酵罐中加入醇液。處理器能夠指出可以何時加入 含醇飲料。在一個實施方案中，控制器可以驅動與蓋子111相連的鎖定機構，以允許或防止 用戶向發酵罐103中加入材料。由于酵母的反應已經將大部分液體轉化為二氧化碳，因此 在發酵結束時發酵罐103中的液體體積會降低，這產生了回收含醇飲料的空間。然后，小型 精煉系統將乙醇與批料分離，以及將醇與廢棄飲料和其它液體成分分離。通過使液體通過蒸餾系統進行處理，從而將乙醇與水和其它液體分離。在一個實 施方案中，本發明的蒸餾系統包括泵127、加熱器128、蒸餾管131和用于將蒸餾管131置于 豎直方向的萬向接頭機構139。可以通過安裝于蒸餾管131上的回轉器132來保持豎直方 向。回轉器132包括可以與蒸餾管的豎直軸對齊的轉子以及使轉子旋轉的馬達。轉子的轉 動通過任何旋轉移動使得回轉器132和蒸餾管穩定。控制系統151控制泵127，以將發酵 罐103內的液體泵送通過加熱器129，從而使水和乙醇沸騰并蒸發。蒸發的液體被引導到蒸 餾管131的底部。隨著蒸氣通過蒸餾管131朝上移動，乙醇分子與水分子分離，并且離開柱 子的上部。如果水和其它非乙醇類液體蒸發，則這些蒸氣在蒸餾管131內冷卻時傾向于在 蒸餾管的側面冷凝。然后，冷凝的液體可以附著在蒸餾管131的內壁，或者沿著該內壁向下 滴落，而不離開管131的上部。蒸餾系統還可以包括一個或多個溫度傳感器，其監測蒸氣溫 度，并且控制加熱器128，以產生處于最優分離溫度的蒸氣。過量的熱會產生較快的蒸氣速 率，從而導致更多的水離開蒸餾管131，而較低溫度的蒸氣溫度會導致較少的乙醇從蒸餾管 131流出。蒸餾過程要求蒸餾管131處于精確的豎直對齊狀態。蒸氣緩慢地垂直上升，并且 在蒸氣通過蒸餾管131的中心向上移動并且從上部離開時，其流動路徑優選不受側壁妨 礙。如果蒸餾管131不成豎直狀態，則上升的蒸氣會進入到管131的側面，從而導致乙醇蒸 氣冷凝，并且降低蒸餾系統的效率。類似地，沿著從豎直方向傾斜的側壁上升的水蒸氣可能 不會在側壁上冷凝，從而降低水和乙醇的分離。因此，精確的豎直對齊狀態對于高效蒸餾是 必需的。參照圖4，萬向接頭機構139支撐蒸餾管131，并且允許管131自然地旋轉為豎直 對齊狀態。在一個實施方案中，萬向接頭機構139包括內樞軸305和外樞軸307，所述內樞 軸305將蒸餾管131與圍繞管131的環309相連，所述外樞軸307將環309與固定支撐件 311(其與框架相連)相連。樞軸307和309可以包括低摩擦性軸承或軸襯，其允許樞軸307 和309以極低的摩擦力旋轉。萬向接頭機構139安裝在蒸餾管131的重力中心以上，使得 蒸餾管131在萬向接頭機構139以下的重力引起管131沿豎直方向自動自身對齊。如果固定支撐件311牢固地安裝于框架上，則蒸餾管131自動地旋轉為豎直對齊方式。在一個實施方案中，圖1所示的回轉器132安裝于蒸餾管131的底部。回轉器132 包括轉子和使得轉子轉動的馬達。由于回轉器132的重量由蒸餾管131支撐，因此回轉器 132的重力中心可以與蒸餾管131的豎直中心軸對齊，因此重量不會導致錯位。轉子的旋轉 軸可以與蒸餾管的豎直軸對齊，并且當轉子轉動時，回轉器132和蒸餾管131被穩定，使得 小型精煉系統的任何成角度的移動不會改變蒸餾管的豎直對齊方式。在一個實施方案中， 蒸餾管131在打開回轉器并且轉子開始轉動之前是豎直對齊的。蒸餾管131可能是易碎的，并且在一些情況下，可能需要將蒸餾管131鎖定在合適 的位置以防止移動。在一個實施方案中，豎直對齊系統包括防止蒸餾管轉動的鎖定機構。在 一個實施方案中，系統可以通過傳感器(如與外殼相連的風力計和/或加速計)檢測環境 條件。如果風速很高，系統可能移動，其會導致蒸餾管移動失去豎直對齊狀態。為了防止蒸 餾管發生破壞的風險，在檢測到預定的風速或加速移動時，系統可以具有能夠被控制的“安 全”模式。例如，當所檢測的風速大于40MPH或檢測到地震大于5.0時，小型精煉系統可以 進入安全模式，其中蒸餾管和其它易碎系統部件被鎖定在安全的位置。系統還可以從外部 來源(如因特網氣象信息服務)接收其地理位置的氣象警報，并且通過調度安全模式時間 從而應對風暴預警。控制器還可以關閉電源，并且/或者提供電涌保護，以防止由于電涌或 斷電而對電學部件造成破壞。在一個實施方案中，蒸餾管可以填充有材料填料或水平打孔板，其被用于將蒸發 的發酵醪與醇分離。理想地，發酵醪和乙醇進入蒸餾管的下部，并且合并的蒸氣沿著管往上 移動。水和其它較重的材料被填料或板堵住。與此形成對比的是，乙醇會傾向于保持為蒸 氣形式，并且繼續沿著蒸餾管向上移動。這有助于將水和其它污染物與乙醇蒸氣分離。板 可以在蒸餾管內水平取向，并且可以沿著蒸餾管的長度設置多個板。當小型精煉系統短暫 停止生產時可能發生問題。水會冷凝或蒸發，而發酵醪可能保留在填料或打孔板上，從而在 系統再次使用時導致孔或填料堵塞。在對系統再次使用時可能對整個冷凝管進行清洗。為了減少這種問題，可以將打孔板403以一定角度安裝在蒸餾管131中。圖5示出 板組件401的俯視圖，并且示出在成角度的板403中形成的一些孔405。圖6示出組件401 的側視圖，并且示出板403的可能角度。當水和發酵醪蒸氣冷凝在板403上時，重力傾向于 將這些液體朝向板403的下邊緣引導。由于發酵醪液體傾向于原料孔405而朝向板403的 下邊緣移動，因此不容易發生由于干燥的污染物而對蒸餾管板403的破壞。當安裝在蒸餾 管中時，環407可以緊密地配合在蒸餾管的內徑內。組件還可以具有將各部件保持為一件 式單元的上環和下環407，所述一件式單元容易安裝或者容易取出以進行修復或維護。組件 401可以由任何適合的材料(如不銹鋼和塑料)制得。組件401還可以涂敷或漆有防止生 銹和氧化的保護表層。雖然所示出的板403為平面結構，但是在其它實施方案中，其也可以 是非平面的。例如，板可以具有倒“V”形，使得冷凝的液體沿著板的相對下側往下流。參照圖7，示出了蒸餾管131以及相關的硬件部件的實施方案的側視圖。在一個實 施方案中，蒸餾管131為多件式單元，其可以被拆卸為多個部件。在該例子中，存在三個用 于將蒸餾管131的不同分段彼此固定的連接件421。然而，也涵蓋可以使用任何數量的蒸餾 管分段和連接件421。連接件421是可分離的，以允許蒸餾管131被拆開。這在板或填料需 要更換或修復，或者需要到達內部表面以進行清洗時是特別有用的。這可以將所需的時間由幾小時縮短到幾分鐘。多件式構造還允許蒸餾管131更容易運輸，以進行現場維護和修 復，因為如果需要的話可以更換損害的部分，而不是整個管131。為了進一步簡化從系統中 的取出，蒸餾管可以固定在蒸餾管131的外徑上的快速分開連接器425。連接器425可用于 溫度和壓力傳感器，以及液體入口和出口。連接件421的實施方案的細節示于圖8-10中。圖8示出配合狀態的連接件421。 連接件421包括被安裝在連接在蒸餾管131的外徑的環423上、并且提供結構支撐的多個 梢子427和鉤子429。梢子427和鉤子4 分布在環423的外周。通過旋轉蒸餾管131的 各分段，鉤子4 與梢子427相固定，并且蒸餾管的各分段被固定在一起。在一個實施方案 中，鎖定機構4 防止環423旋轉，使得蒸餾管131的各分段不能分離。參照圖9，當需要將蒸餾管131拆開時，將各分段旋轉，使得梢子427與鉤子4 分 開。如圖10所示，在梢子427與鉤子4 分離時，蒸餾管131的各分段可以彼此分離。在 其它實施方案中，可以采用各種其它類型的連接機構將蒸餾管的各分段固定在一起。在小型精煉系統正常操作時，熱乙醇和水蒸氣離開蒸餾管131，并且移動通過膜系 統135，該膜系統135將水分子與醇分子分離。膜系統135包括可以由陶瓷、玻璃或非常粗 糙的材料制得的多孔分離膜。參照圖11，膜606具有多個小孔607，該小孔607允許水分子 609通過，但是對于乙醇分子611卻過大而不能使其通過。較高的蒸汽壓使得較小的水分子 609流過孔607。通過使蒸氣通過膜606，水分子609被分離，并且基本純的乙醇分子609通 過膜系統離開。因此，孔607大于水蒸氣的直徑，而小于乙醇蒸氣的直徑。在一個實施方案 中，孔607的直徑可為約2至40埃米。使用多孔膜系統的潛在問題是膜材料可能容易發生熱破壞。特別是，如果乙醇蒸 氣的溫度實質上高于膜的溫度，則膜可能發生“熱破壞”。例如，膜可能出于環境溫度下，然 后直接暴露于熱的乙醇蒸氣中，從而導致破壞。為了防止膜的熱破壞，采用微型控制加溫系 統對膜預熱，以確保膜溫度適合于處理處理熱蒸氣。在一個實施方案中，膜的溫度由與膜系 統相連的熱電偶檢測。當控制系統引導液體流出發酵罐到達加熱器和蒸餾管時，該系統在 熱蒸氣被引導至蒸餾管之前檢測膜的溫度。參照圖1，如果膜較冷，則系統控制器151可以 驅動加熱元件，并且監測膜溫度。當膜溫度升高時，控制系統可以具有溫度調節設置，從而 防止加熱器對膜過度加熱。當將膜溫度預熱至安全溫度時，系統控制器151可以允許熱蒸 氣通過蒸餾管131流到膜上。一旦熱蒸氣流過膜，則蒸氣會加熱膜，并且可以停止對加熱元 件的供電。為了有助于乙醇和水分離過程，可以借助于真空143將水蒸氣引導通過多孔膜。在一個實施方案中，膜系統135可以具有備用膜135。如果一個膜系統135受到破 壞，則控制器會檢測到失效，并且控制器151可以控制閥136將來自蒸餾管131的水和乙醇 蒸氣分流到備用膜系統135上。控制器151可以通過收發器197將指示膜135受到破壞的 信號傳送給操作者或者維護組。然后可以在水和乙醇通過備用膜系統135分離時，將受破 壞的膜系統135更換。在水通過膜系統135和真空143之后會冷凝，并且流入水儲存罐181中，然后其被 再次用于發酵罐131中。所分離的乙醇離開膜系統135，然后流過熱電冷卻器166，該冷卻 器166使乙醇冷凝為液體。然后液體乙醇流入對其進行儲存的儲存罐145，其后使其與汽油 混合。于儲存罐145相連的超聲波或其它液體傳感器可以檢測儲存罐145中的乙醇水平， 并且將這種乙醇生產信息提供給系統控制器151。在一個實施方案中，系統控制器151可以
14檢測乙醇儲存罐145充滿的時間，并且停止蒸餾過程，直到儲存罐145中具有可供利用的空 間為止。在一個實施方案中，本發明的小型精煉系統可以通過系統控制器151將儲存在乙 醇儲存罐145中的乙醇與儲存在汽油儲存罐155中的汽油以任何由用戶設定的比例進行混 合。控制系統包括允許用戶選擇所需的燃料混合比的用戶界面。系統可以包括防止燃料 混合物設置超過車輛所允許的最大或最小乙醇百分比的鎖合結構。一旦選擇了燃料混合 物，用戶可以采用小型精煉功能，如常規的汽油泵。用戶從小型精煉系統的支架上取出管嘴 163，并且將其置于車輛的罐式填充器內。將與管嘴163相連的操作桿驅動，以驅動泵149， 該泵149使燃料由罐145和155通過軟管卷筒157、軟管161和管嘴163流到車輛的罐式填 充器內。系統以不同的流動速度運行乙醇和汽油泵149，以產生規定的燃料比例。管嘴163 檢測車輛罐被充滿的時間，并且自動地終止燃料通過管嘴163的流動。當車輛罐充滿時，用 戶將管嘴163放回到支架上，并且更換燃料填充器的蓋子，以終止填充過程。在乙醇罐145 至少部分被排放時，系統可以開始制備更多的乙醇。乙醇與汽油或其它燃料的混合比例可以取決于被加燃料的車輛的類型。只有針對 使用純乙醇對發動機進行設計或改造時才可以在內燃機中使用純乙醇。然而，乙醇可以與 汽油以各種比例混合，以用于未經改造車輛發動機中。在美國，被設計為通過汽油運行的常 規小汽車只能使用含有至多15%乙醇的混合燃料。與此形成對比的是，美國柔性燃料汽車 可以使用含有少于20%的乙醇或至多85%乙醇的混合燃料。乙醇燃料混合物通常由后面 標有乙醇百分比的字母“E”表示。例如，典型的乙醇燃料名稱包括E5、E7、E10、E15、E20、 E85、E95和ElOO等，其中E5為5%的乙醇和95%的汽油。在完成由各小型精煉系統所進行的處理之后，還可以將小型精煉系統進行清潔。 在一個實施方案中，小型精煉系統包括這樣的清潔機構，其可以將加壓的肥皂水噴灑發酵 罐，這會從罐和其它部件中除去顆粒物質。然后，系統可以淋洗系統部件，以除去肥皂和其 它殘跡。在一個實施方案中，打開排放閥，以允許發酵罐和蒸餾系統的廢液通過排放軟管從 系統中排出。系統可以包括自動的清潔系統，其利用連接在水源和釋放高壓水的噴嘴之間 的閥，并且由系統控制器驅動。可以直接針對發酵槽壁進行噴灑，以除去沉積的材料。當從 小型精煉系統的內表面上除去揮發性材料時，打開排放閥，并且將廢料往下傾倒入公共排 放系統中。由于小型精煉系統為復雜的機構，因此傳感器和控制器被用于自動進行操作，并 且優化乙醇制備性能。小型精煉系統包括監測處理系統的操作條件的各種傳感器，所述處 理系統包括發酵罐、測力儀重量檢測系統、溫度控制系統、發酵罐的混合攪拌器、蒸餾系 統、膜分離系統、儲存罐以及混合和泵送系統。所有這些系統均包括與控制器相連的傳感 器。參照圖12，示出系統控制器151的簡化框圖。控制器151包括中央處理單元(CPU) 601、 目視顯示器603(其也可以是輸入裝置)、用戶輸入機構609(如按鈕、鍵盤等)。為了使 CPU601與諸如馬達、傳感器等模擬裝置通訊，需要模擬到數字轉化器611以及數字到模擬 轉化器613。模擬到數字轉化器611被用于將模擬數據信號轉化為能夠被CPTOOl解析的 數字信號，并且數字到模擬轉化器613被用于將來自CPTOOl的數字控制信號轉化為模擬裝 置。CPTOOl可以與電子存儲器605相連。在一個實施方案中，控制器151與檢測小型精煉 系統和系統部件的操作的各種傳感器305-313相連，并且與控制小型精煉系統的操作的各種傳感器314-317相連。在一個實施方案中，控制器151可以解析所檢測的傳感器205信息，該信息可以發 出音頻或視頻狀態指示。控制器151還可以與提供小型精煉系統的狀態的指示的燈199相 連。光的顏色可以指示系統狀態。綠光可以表示一切正常，黃光可以表示系統需要注意，并 且紅光可以表示系統已被關閉。如圖1所示，燈199可以被安裝于小型精煉系統101的上 表面，以獲得最優的可視性。如果小型精煉系統101彼此之間相互間隔設置，則狀態指示燈 199可以安裝在這樣的位置，該位置使得用戶相隔一定距離就能容易地看到狀態指示信號。 在其它實施方案中，音頻警報器可以在系統需要注意或者系統已經被關閉的緊急狀態時發 出聲音。圖13為示出小型精煉系統101和其它系統部件之間的通訊聯系的圖。控制器151 還可以與收發器197相連，該收發器197能夠通過有線或無線通訊傳送和接受信息。例如， 小型精煉系統可以與計算機網絡通訊，以允許計算機監測小型精煉系統的操作和材料的處 理情況。控制器151可以通過收發器197由計算機網絡將小型精煉系統操作信息(如所檢 測的傳感器和產生信息)傳送給各種其它計算機或服務器223。控制器151還可以從其它 計算機或服務器223接收控制指令，以根據所檢測的操作條件進行小型精煉系統的操作。收發器197允許系統控制器151傳送諸如傳感器輸出數據等所檢測的操作信息， 并且從外部來源接收操作指令。收發器可以是與個人計算機或網絡(其與其它計算機223 相連)通訊的有線單元或無線單元。硬件通訊電纜還可以在操作者計算機223和一個或多 個小型精煉系統101之間延伸。小型精煉系統101與計算機223或網絡之間的通訊可以通 過各種不同的模式，包括射頻，如WiFi、無線電臺或衛星，或者光學模式，如IR。例如，傳送 的類型可以基于小型精煉系統的位置。接近私人居所或商業建筑的操作者計算機可以具有 WiFi通訊系統。距離操作者計算機223超過射頻通訊范圍的小型精煉系統可能需要無線電 臺或衛星通訊系統。由傳感器檢測的小型精煉系統信息可以被傳送到微處理器601并儲存在存儲器 中，并且/或者然后其被傳送到收發器，并且輸送到計算機網絡如因特網。傳送的類型可以 基于小型精煉系統的位置。接近私人居所或商業建筑的計算機223可以具有WiFi通訊系 統。與此形成對比的是，位于更遠區域的計算機223可能需要無線電臺或衛星通訊系統，或 者可能需要多個計算機223和多種通訊途徑，如無線或有線網絡。在采用通訊系統的情況下，小型精煉系統可以與用戶的個人計算機、系統維護服 務商、組長、維修組、原料供應商、管理部門或其它小型精煉系統之間傳送并且接收信息。在 一些情況下，信息可以由小型精煉系統傳送到用戶的個人計算機。用戶可以解析信息，并且 由個人計算機將信息傳送到服務商或其它計算機。通過引入通訊網絡，可以利用有線LAN、 無線網絡(如WiFi)、無線電臺或衛星連接遠程通訊，并且可以遠程監測小型精煉系統。通 過通訊系統傳送的信息可以用于各種目的，包括系統操作監測、診斷、操作優化、政府部門 負責的乙醇制備、材料儲存監測以及材料訂購等。所傳送的數據可以取決于信息的接收者。 例如，監管部門只可能需要知道小型精煉系統的乙醇輸出量。與此形成對比的是，用戶或維 護部門需要知道操作條件和任何處理錯誤。因此，與政府部門相比，傳送給用戶或維護部門 的傳感器信息更多。用于小型精煉系統的通訊系統還可以用于其它目的。例如，在一個實施方案中，通訊系統可以與在共同待審的美國專利申請No. 12/110, 242( "Method For Using Carbon Credits With Micro Ref ineries (將小型精煉與碳信用一起使用的方法)”)中所討論的 碳排放項目一起使用，所述專利申請以引用的方式并入本文。碳信用項目可以發放兌換券， 其具有的值基于由于利用由小型精煉系統產生乙醇代替相同體積或等價體積的汽油而導 致的CO2排放的減少量。碳信用可以具有基于CO2排放的減少量的值，條件是利用由小型 精煉系統制備的乙醇代替相同體積或等價體積的汽油。由于乙醇相比于汽油的CO2排放是 直接可定量的，因此可以通過測定流入儲存罐145中的乙醇的體積的傳感器精確地確定CO2 排放的減少量。系統可以自動地傳送由小型精煉系統制備的乙醇的體積測量值，使得小型 精煉系統的所有人可以記錄下相應的碳信用。通訊系統還可以用于交易碳信用。碳信用購買者可以為個人或者公司實體，其可 能希望通過減少碳的覆蓋區域來改善世界。購買者還可能需要減少碳排放，以符合所頒布 的限制碳排放的政府規定。可以通過計算機網絡或者基于因特網的銷售系統以電子方式將 碳信用銷售給購買者。小型精煉系統可以指示可提供的碳信用的量，并且以規定的價格銷 售一個或全部的碳信用。或者，小型精煉系統可以利用拍賣網址，以將一些或全部碳信用拍 賣給出價最高的投標者。在一些情況下，小型精煉系統可能只具有少量的碳信用，并且可以 將多個小型精煉系統合并，并且將它們的累積碳信用一起銷售。在優選的實施方案中，小型精煉系統收發器可以通過網絡(如因特網)與用戶計 算機和/或其它服務器計算機通訊，這可有助于小型精煉系統的監測和維護。小型精煉系 統可以與用戶的個人計算機共享操作信息，并且根據來自小型精煉系統的數據，用戶可以 訂購原料、進行維護，并且被告知任何系統故障。根據所產生數據類型的不同小型精煉系統 信息的接收者可能有所不同。用戶的計算機可以將操作信息發送到各種其它的實體，如系 統維護服務組、小型精煉組管理者、小型精煉系統原料供應商和政府管理部門。在一些情況 中，小型精煉系統可以共享信息。例如，位于相同區域的小型精煉系統可以比較乙醇制備 量，以幫助確認該區域的最優操作條件。相同區域的小型精煉系統還可以分享供料信息，使 得可以一起訂購大量的原料，并且在該區域的小型精煉系統之間可以分享運輸成本。為了進行適當的操作，可能需要將原料恒定地或周期性地引入到小型精煉系統 中。通過使用原料儲存區域的力傳感器，可以監測供應原料的重量。系統被構造為隨著原 料的消耗自動地將原料填充處理罐。系統還可以檢測儲存區域內的原料和其它批料成分或 添加劑的重量/數量。當儲存區域內的原料或批料成分供料走低時，系統可以通知用戶、系 統維護服務提供者或供料分銷商批料需要補充。在完美的處理條件下，批料可能不需要恒定的化學成分再平衡。然而，如果在處理 條件下存在多個變量，或者小型精煉系統同時用于處理批料或廢棄的含醇飲料，則系統可 能需要連續地測試并調節發酵罐的批料含量。具有高糖含量的含醇飲料可以為批料提供 糖。所需的批料還可能隨著由廢棄的含醇飲料制備的乙醇的量而變化。如果由含醇飲料制 備更多的醇，則需要較少的原料來制備所需體積的乙醇。在又一個實施方案中，系統可以包括檢測儲存罐中的經處理的醇的量的傳感器。 如果儲存罐幾乎充滿，則系統可以減少乙醇制備，而如果儲存罐充滿，則系統可以停止乙醇 制備。相反，如果系統檢測到乙醇儲存罐幾乎空的時候，則系統可以增加制備。通過減慢或 停止蒸餾處理可以控制制備。通過監測用戶的乙醇需求和批料含量，系統能夠預測材料的需求，并且具有所需的可供處理的材料。小型精煉系統不必停止生產，因為所需的材料在需 要時總是實地存在。可以通過各種通訊手段將原料通知傳送給用戶，所述通訊手段包括由小型精煉系 統網絡傳送到用戶計算機的電子信號，該信號在用戶圖表界面信號上以指示物的形式顯 示。或者，原料通知可以以電子郵件通知、文本或聲音信號的形式傳送到用戶的計算機或電 話。在其它實施方案中，用戶可以授權或者構造系統自動地聯系原料提供者，并且在原料供 應量過低時要求額外的原料。在儲存過程中留有預定量的原料時就可以傳送信號，使得用 戶有時間在系統耗盡材料之前補充供料。在其它實施方案中，有規律地確定并且提供原料輸送。系統可以檢測生產需求，或 者原料消耗的速率，并且調節供料，以補償高于或低于預期量的乙醇制備。例如，制備需求 可以以儲存在罐中的乙醇體積為依據。系統可以在儲存量較低時自動地增加原料供料，并 且在儲存體積幾乎充滿時，減少原料供料。還可以基于所預測的消耗速率調節原料供料的量。在一個實施方案中，系統還可以用于檢測小型精煉系統中的操作誤差。現場問題 還可能由于故障和極端的氣象條件而導致裝置停工以及高成本的現場維修服務。為了檢測 裝置問題，小型精煉系統可以包括檢測系統故障的多個傳感器。參照圖13，通過遠程監測小 型精煉系統和環境條件，系統可以在系統存在問題時通知用戶計算機223。然后操作者可以 檢查系統，并可以修復該問題。如果用戶不能修復該問題，用戶可以給服務中心打電話，并 且可以將維修人員送至小型精煉系統101。在一些情況中，小型精煉系統101可以進行自 我診斷，并且確定該問題。該診斷信息可以被傳送至用戶計算機223、維修商服務器計算機 223和/或服務中心223。在一些安裝操作中，用戶可能不希望管理小型精煉系統101的操作，相反則讓維 修提供者維護小型精煉系統。所有信息都可以被傳送至系統維護服務器223，或者小型精煉 組管理者計算機。用戶計算機223可以接收基礎信息，如圖表形式(其容易被用戶解析)的 小型精煉系統101的狀態和來自服務提供者223的服務更新。因此，小型精煉系統101可 以被構造為將不同形式的不同信息傳送給不同的計算機223。在一個實施方案中，小型精煉系統所有者可能為維護公司提供進入權利，以進行 遠程系統輔助，并且來自小型精煉系統101的傳感器數據可以被傳送至監測小型精煉系統 的101的維護公司服務器223。由于維護公司可能不對顯示的外觀感興趣，因此來自小型精 煉系統101的數據輸出可以為“服務輸出模式”(其可以主要為最低程度或沒有數據格式化 的源數據)。這種源數據減少了數據傳輸的量，其能夠使多個小型精煉系統101由維護公司 遠程監測。如果檢測到小型精煉系統101的任一個存在問題，維護公司服務器223可以為 小型精煉系統101提供數字指令，或者如果該問題需要手工操作，服務技術人員可以進入 小型精煉系統101，以進行服務或維護。在一個實施方案中，可以為小型精煉系統101編程，以將基礎服務要求傳送給用 戶計算機223，并且如果該問題需要經訓練的技術人員，則小型精煉系統101可以通知服務 中心計算機223，使得可以立即要求技術人員。小型精煉系統101還能夠確認可能已經失效 或出問題的部件，并且從服務中心計算機223要求這些部件。在一個實施方案中，可以自動地進行一些系統維護。例如，參照圖1，在一個實施方案中，小型精煉系統可以具有用于將乙醇與水分離的備用多孔膜135。如果多孔膜受到破 壞，小型精煉系統101可以檢測到該問題，然后自動地將蒸餾管的出口的閥161轉換到備用 膜135，從而可以繼續乙醇制備。然后，小型精煉系統101可以要求服務商修復受破壞或有 問題的多孔膜135。各種其它系統部件可以具有能夠在失效情況下使用的備用單元。當由公司和個人操作的小型精煉系統的數量增加時，可能需要監測乙醇制備的政 府或監管部門。根據商業燃料規定，允許政府監管機構獲得精煉制備信息，并且法律可能要 求商業燃料制備公司向政府機構報告燃料銷售情況，以獲得稅收。還可能要求私人擁有并 且操作的小型精煉系統進行類似的燃料制備報告。然而，由于私人小型精煉系統的發展可 能在擴展到全世界的各種遠程位置，因此政府機構難以使用針對監測大型精煉系統設計的 現有方法來監測個人燃料制備情況。許多小型精煉系統可能由私人擁有并操作，這些人可能不知道如何報告由他們的 系統制備的乙醇。為了自動地將所需的信息發送給監管機構，小型精煉系統可以被構造為 自動地周期性將制備信息傳送給機構賬務系統。在其它實施方案中，小型精煉系統可以儲 存制備信息，并且監管機構能夠獲得制備信息。通過將小型精煉系統控制器與計算機網絡 相連，制備信息可以容易地被傳送給需要該信息的任何監管實體。通過電子傳送小型精煉 系統數據，用戶不必手工獲得并且將乙醇制備信息傳送給監管結構。通過允許與小型精煉 系統電子通訊，監測小型精煉系統的乙醇制備信息的管理成本也達到最少化。在一個實施方案中，可以通過小型精煉系統101中的燃料流量傳感器監測乙醇制 備信息。小型精煉系統101可以通過遠程寬帶界面與相連的政府機構計算機223相連，所 述計算機223可以監測個人燃料制備和/或消耗。數據可以以確認信息傳送，從而政府能 夠將乙醇制備信息與合適的小型精煉系統相關。如果來自小型精煉系統101的乙醇制備進 行繳稅，則該稅收可以成為地方、州和聯邦政府機構的收益。在一個實施方案中，小型精煉系統101還可以包括遠程控制特征。在該實施方案 中，系統包括多個控制小型精煉系統101的制動器。用戶以及監管機構可以進行這種遠程 控制。如果監管機構確定違反了政府規定，則可以由授權的政府機構將違規的小型精煉系 統101遠程關閉。例如，監管結構可以遠程控制制動閥門，該閥門控制乙醇從小型精煉系統 101的流出。通過關閉該閥門，系統能夠處理罐中的乙醇，但是不能從小型精煉系統101中 取出儲存罐中的乙醇。在其它實施方案中，政府對小型精煉系統的控制可以包括一系列活 動，包括開始將關于遵守要求的信息傳達給小型精煉系統所有者和/或所有者計算機223。 如果在規定的期限內規定遵守情況沒有校正的話，則監管機構可以開始控制小型精煉系統 101的操作，并且如果操作者繼續違反規定要求的話，其可能最后終止小型精煉系統101的 操作。如上所討論，小型精煉系統可以包括多個檢測小型精煉系統的各種操作特征的傳 感器。通過監測傳感器數據并且根據傳感器數據進行調整，小型精煉系統可以適當地保持， 并且以最優效率工作。影響發酵過程的一個主要因素是批料的溫度。在一個實施方案中， 批料的溫度由與控制器相連的收發器監測。參照圖1，控制器控制施加給熱電機構113的電 能，斌且使用熱電機構113調節批料的溫度，從而使得批料溫度保持在最優的溫度范圍內。 系統可以保持設定溫度的批料處于設定溫度的幾度范圍內，該范圍可以為約25°C至30°C。 溫度在發酵過程中可能是最關鍵的。在發酵結束之后，系統可以允許乙醇溫度隨大氣條件而變化。這允許系統在不需要對批料加熱或冷卻時節省能量。在一個實施方案中，系統還可以通過基于發酵時間比較所檢測的批料重量與預期 的重量的，從而監測發酵過程。理想地，重量隨時間的變化應當是可預測的，并且在發酵過 程中處于預期的范圍內。偏離預期的重量減輕速率可能表示存在潛在的發酵處理問題。例 如，發酵過程中在特定的點高于預期的重量減輕速率可能是由于水從發酵罐中損失(由泄 漏或蒸發而引起)造成的。如果重量減輕速率低于預期值，這可能表示發酵過程存在問題。 如果批料重量減輕速率不適當，系統可以進行額外的測試，以確定是否批料存在問題。在一 個實施方案中，可以對批料樣品進行測試，以確定是否酵母和其它成分處于合適的濃度，以 及糖是否被處理。在一個實施方案中，小型精煉系統可以檢測批料混合物中的化學成分，并且如果 檢測到化學失衡，則系統控制器還可以提供反饋，并且進行校正。當用戶混合含有未經平衡 的成分混合物的廢棄的含醇飲料或新鮮原料以便最大化乙醇產量時，上述化學檢測可能是 有用的。例如，如果用戶處理含有大量酵母、但是不含糖的廢棄啤酒就是如此。缺乏糖可能 防止醇發酵速率升高。缺乏糖還可能防止用于乙醇處理的海藻和微生物纖維性材料的生 長。系統可以監測到這種化學失衡，并且進行所需的校正。在另一個例子中，如果系統控制 器檢測到加入過多的糖，則系統可以通過增加處理過量的糖所需的酵母和原料，從而彌補 這種差錯。小型精煉系統可以包括檢測水、醇、糖、酵母和其它化學品的比例的傳感器，因此 可以加入適當的成分，以便最大化乙醇制備量。為了檢測化學品的合適濃度，控制器可以將所檢測的化學品的量或比例與電子存 儲器中儲存的查找表中所列的預期成分測定值進行比較。如所述的那樣，發酵罐可以與重 量傳感器和化學性質傳感器相連。化學性質傳感器可以監測批料中一種或多種化學品的濃 度。通過獲知批料中的成分和材料的量，系統可以確定批料是否為實現最大化乙醇制備的 最優混合物。查找表可以為化學成分及其相對濃度的數據庫。例如，批料可以以如下的原料開 始，該原料包含80至90重量％的糖(如葡萄糖)、10至20重量％的水和0. 5重量％的酵 母(如梭狀芽孢桿菌)。隨著發酵過程進行，糖含量降低，而乙醇含量增加。材料的相對重 量在發酵過程中會發生變化。查找表的一個例子如以下的表1所示。系統可以利用具有各 種不同的成分值的查找表，所述成分值可能取決于環境條件和/或待處理的特定材料。除 了表1所列的材料之外，查找表還包括各種其它批料處理成分，如化和C02。表1
發酵百分糖含量可接受含水可接受范酵母含量可接受范乙醇含量可接受范比范圍量圍圍圍0%85%±3%14.5%+ 5%0.5%± 0.2%0%± 0.2%20%69%±3%14.5%±5%0.5%土 0.2%16%±4%
權利要求
1.一種小型精煉裝置，包括發酵罐，所述發酵罐用于發酵包含水、糖和酵母的批料； 用于蒸餾乙醇的蒸餾管，所述蒸餾管具有多個分段并且與所述發酵罐相連； 連接機構，所述連接機構用于將所述蒸餾管的多個分段可分離地固定在一起； 與所述蒸餾管相連的萬向接頭機構，所述萬向接頭機構用于使所述蒸餾管沿豎直方向 對齊；與所述蒸餾管相連的過濾機構，所述過濾機構用于將乙醇與水分離；以及 用于儲存乙醇的儲存罐，所述儲存罐與所述過濾機構相連。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述連接機構包括固定在所述蒸餾管的外徑周圍 的多個梢子和鉤子，所述梢子和鉤子彼此配合，從而將所述蒸餾管的分段相連，并且所述梢 子和鉤子相分開，從而將所述蒸餾管的分段分離。
3.根據權利要求1所述的裝置，還包括多個打孔板，所述打孔板豎直地間隔開和基本 上彼此平行，并且沿傾斜的方向安裝在所述蒸餾管內。
4.根據權利要求3所述的裝置，還包括與所述多個打孔板相連的板組件，其中所述板 組件安裝在所述蒸餾管內。
5.根據權利要求1所述的裝置，還包括用于保持所述蒸餾管的豎直對齊的回轉器，該 回轉器與所述蒸餾管相連。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中所述回轉器內的旋轉轉子的旋轉軸與所述蒸餾管 的豎直軸對齊。
7.根據權利要求1所述的裝置，還包括與所述過濾機構相連的多孔膜，該多孔膜具有 多個大于水蒸汽分子、但是小于乙醇蒸氣分子的孔隙。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中所述多孔膜的孔隙的直徑在約3至30埃米之間。
9.一種小型精煉裝置，包括發酵罐，所述發酵罐用于發酵包含水、糖和酵母的批料； 與所述發酵罐相連的蒸餾管，所述蒸餾管用于蒸餾乙醇； 與所述蒸餾管相連的對齊機構，所述對齊機構用于保持所述蒸餾管的豎直對齊； 與所述蒸餾管相連的過濾機構，所述過濾機構用于將乙醇與水分離； 與所述過濾機構相連的儲存罐，所述儲存罐用于儲存所述乙醇； 傳感器，所述傳感器在發酵步驟中檢測所述批料的物理性質； CPU,其從所述傳感器接收表示所述批料的物理性質的信號，并且確定所述批料的物理 性質是否處于可接受范圍之外，如果所述物理性質處于可接受范圍之外，則所述CPU發送 警報信號。
10.根據權利要求9所述的裝置，其中所述蒸餾管具有多個分段，并且連接機構用于將 所述蒸餾管的多個分段可分離地固定在一起。
11.根據權利要求10所述的裝置，其中所述連接機構包括固定在所述蒸餾管的外徑周 圍的多個梢子和鉤子，所述梢子和鉤子彼此配合，從而將蒸餾管的分段相連，并且所述梢子 和鉤子相分開，從而將所述蒸餾管的分段分離。
12.根據權利要求9所述的裝置，還包括多個打孔板，所述打孔板豎直地間隔開和基本 上彼此平行，并且沿傾斜的方向安裝在所述蒸餾管內。
13.根據權利要求12所述的裝置，還包括與所述多個打孔板相連的板組件，其中所述 板組件安裝在所述蒸餾管內。
14.根據權利要求9所述的裝置，還包括與所述蒸餾管相連的回轉器，該回轉器用于保 持所述蒸餾管的豎直對齊。
15.根據權利要求9所述的裝置，其中所述回轉器內的旋轉轉子的旋轉軸與所述蒸餾 管的豎直軸對齊。
16.根據權利要求9所述的裝置，其中所述CPU將所述物理性質與包括所述物理性質的 最優范圍的查找表進行比較。
17.根據權利要求9所述的裝置，還包括與所述過濾機構相連的多孔膜，該多孔膜具有 多個大于水蒸汽分子、但是小于乙醇蒸氣分子的孔隙。
18.根據權利要求14所述的裝置，其中所述多孔膜的所述孔隙的直徑在約3至30埃米 之間。
19.根據權利要求18所述的裝置，還包括第一儲存室，所述第一儲存室用于儲存第一化學成分；以及第一閥，所述第一閥由所述CPU控制，并且安裝在所述第一儲存室和所述發酵罐之間；其中所述物理性質為所述批料中的所述第一化學成分的濃度，并且如果所述第一化學 成分的濃度位于可接受的范圍之外，則所述CPU打開所述第一閥，以將所述第一化學成分 加入到所述發酵罐中。
20.根據權利要求9所述的裝置，還包括用于加熱和冷卻所述批料的熱電機構，該熱電 機構與所述發酵罐相連，并且具有安裝在陶瓷芯體相對側的兩個金屬板。
全文摘要
一種小型精煉系統，包括發酵罐、蒸餾管和膜乙醇分離機構。包含糖、酵母和水的批料在發酵罐中混合。傳感器檢測批料的物理性質以及系統的操作狀態。傳感器與控制系統相連，所述控制系統將所檢測的處理信息與查找表進行比較，以確定系統是否在最優的乙醇制備條件下操作。如果傳感器檢測到批料存在問題，則控制系統可以向批料中加入化學成分，以校正化學失衡。系統還可以通過將檢測的信息傳送給操作者計算機并且從操作者計算機接收控制指令，從而有利于進行遠程操作。
文檔編號G01N31/00GK102066923SQ200980122923
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月21日 優先權日2008年4月25日
發明者T·J·奎恩 申請人:E-燃料公司