专利名称：用于乙醇制备的小型精炼系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于远程监测小型乙醇精炼系统并且处理来自小型精炼系统 的数据的系统和方法，其中所述小型乙醇精炼系统将原料和/或废弃的含醇液体转化为乙
背景技术：
乙醇发酵涉及这样的生物过程，通过该过程，糖(例如)被转化为可以用作内燃机 的燃料的乙醇。可以利用淀粉类或糖类原料制备乙醇或乙基醇。采用大型发酵器将糖和酵 母转化为乙醇。在发酵后，采用蒸馏工艺将乙醇与其它液体分离。可以将无水乙醇与汽油 混合，然后运送到汽油终端或销售商。使用大型工业乙醇发酵设备的问题是制备需要产生大批量乙醇的大规模机械。然 后必须将乙醇与添加剂混合，转移到输送车上，并且输送到加油站。这些大型的乙醇制备设 备也需要大量的专门训练的技术人员，以在每天M小时工作时操作并监测精炼处理过程 和装置。所需要的是更简便的用于制备小批量的乙醇的小型精炼系统，该系统利用能够由 未经训练的个人远程地和/或自动地操作并监测以保持最优的性能效率的机械。
发明内容
本发明涉及由糖或含醇饮料制备乙醇的小型精炼系统。小型精炼系统与计算机网 络相连，所述计算机网络允许小型精炼系统与各种计算机通讯。小型精炼系统还可以包括 提供系统操作数据的多个传感器。小型精炼系统可以提供状态信息，并且进行自动操作，例 如根据储存或消耗速率投入所需的供应原料。该系统可以监测原料储存情况，并且估测保 持用户乙醇消耗所需的供料。小型精炼系统还可以通过与任何监管实体的电子通讯而提供制备信息。该系统还 可以利用任何处理机制指示是否存在任何问题。如果系统需要维护或维修，则小型精炼系 统可以传送指示所需服务的要求的信号。该系统可以将信息传送给用户计算机，从而使得 用户可以请求服务，或者在另一个实施方案中，该系统可以自动地将服务请求传送给服务 提供者。当在用户所在地安装小型精炼系统时，该系统可以与电源、水源和液体排放源相
4连。由于系统包括燃料泵，因此应当将其安装在容易进入车辆的位置。小型精炼系统的设 置需要位于水平面上，并且使其与水源、电源和废水排放源相连。小型精炼系统自动操作， 并且由用户计算机或系统管理操作者计算机对系统操作进行监测和控制。可以通过用户界 面监测和控制该系统，并且/或者可以通过传送器将数据传送到计算机网络，如因特网。然 后可以通过网络将操作信息和系统控制信息传送到用户计算机或系统管理计算机，使得可 以远程监测操作情况。当将小型精炼系统安装在用户所在地并且用户打开该系统时，系统可以进入启动 程序，以检测各系统是否操作适当。一旦系统准备开始工作，包含糖、酵母和酵母营养液的 原料与水在发酵罐内混合。发酵罐是包括搅拌器、温度控制机构和测力仪的密封单元。测量 系统检测置于发酵罐中的原料成分，以及与原料混合使得能够开始发酵过程的水的体积。 控制系统管理泵、搅拌器、阀、通风机、传感器和电热冷却器，以便自动地保持合适的化学混 合物和发酵环境。在该过程中，酵母菌消耗糖，并且将其转化为乙醇、二氧化碳气体和热量。 在一个实施方案中，系统可以通过检测所释放的二氧化碳并且检测批料的化学成分，从而 监测发酵过程。可以通过控制材料流入罐中的控制阀从而手工或自动地引入原料。系统可以通过监测测力仪的输出信号，从而检测批料成分的初始重量。如果依次 独立地输入原料成分，则在加入各原料成分之后将各成分的重量由重量的变化表示。基于 所检测的原料重量，可以计算相应合适的水的重量/体积。可以通过测力仪或流量测量系 统，从而检测引入到罐中的水的量。在一个实施方案中，罐还可以具有检测发酵罐中的液体 体积的传感器。液体传感器可以包括与罐中的可变电阻相连的浮子。当罐充满的时候，电 阻被设定为其较低电阻值。当罐空的时候，浮子沿着电阻滑动，从而改变电阻值。往下的移 动可以增加液体传感器的电阻值，并且电阻在罐空的时候达到最高值。可以根据所检测的 电阻值对系统进行校正，从而计算液体的体积。然后，系统可以用搅拌器将原料、糖和水进行混合。随着发酵过程进行，酵母和糖 的反应产生热量。系统还可以控制发酵罐内的温度，使得其保持发酵的最优温度范围。通 过监测温度，加热系统可以确定发酵罐是需要加热、冷却还是保持目前状态。在一个实施方 案中，温度控制单元为与发酵罐相连的热板，并且能够通过转换施加给热板的电压的极性 而对内容物既进行加热，又进行冷却。在发酵过程中，原料和糖被转化为乙醇和二氧化碳。 二氧化碳从发酵罐中放出并且发酵罐中的材料的重量随着乙醇产生而降低。通过检测材料 材料重量随时间的变化，系统可以确定发酵过程的状况和进程。在一个实施方案中，系统可以检测发酵成分的混合物，以确定混合比例或配方是 否合适，以及批料是否在发酵。在发酵过程中，从发酵罐中周期性地取出批料液体样品，并 且置于包括一个或多个传感器的测试区域内。可以使用与泵相连的管从批料中取出样品， 并且将样品置于测试区域内。传感器可以检测物理性质，如传导性、PH值水平、光学折射率 或光学波长吸收性和荧光率。对传感器输出信号进行分析，以测定发酵罐中的化学成分的 量。在测试样品之后，系统可以使样品返回到批料中。为了监测发酵过程，系统可以在整个 批料过程中连续地或周期性地测试批料样品。因此，样品取出系统可以连续地将一部分批 料泵送到测试容器内，或者可以周期性地将测试样品输送到测试容器内。在一个实施方案 中，可以直接在发酵罐中测试批料，而不将样品移送到独立的测试室内。一旦传感器对批料样品进行了测量，将所检测的特性与预期或最优的值进行比较，所述预期或最优的值可以被储存在预先编程的数值查找表中，或者由运算法则演算得 到。通过将所检测的化学成分与查找表或远程通讯反馈进行比较，系统可以测定批料是否 含有最优混合比的批料成分。如果在所检测的值和预期的值之间存在实质性区别，则系统 可以确认化学成分是否缺乏或过量。然后，系统可以告知用户应当加入到罐中以校正批料 的化学成分。在其它实施方案中，化学品可以储存在内部，并且小型精炼系统会自动地将材 料加入到发酵罐中，以校正批料混合物的化学失衡。在一些情况中，成分的最优混合物或比例可以以环境条件为依据。虽然系统可以 控制罐的温度，但是额外的传感器测量环境气氛的变化，如温度、湿度、大气压力等。当检测 到气氛的变化时，系统可以调阅查找表，或者获得成分的适当比例的在线远程反馈。然后， 系统可以将罐中的材料混合比调节至环境条件下的理想配方。系统还可以打开冷却或加热 元件，从而保持罐中的适当气氛。在完成发酵过程之后，发酵罐包含乙醇和水。通过蒸馏系统将乙醇与水分离。在 几天的一段时间内，乙醇和水被缓慢地加热，并且由发酵罐泵送通过蒸馏柱，从而产生乙醇 和水的蒸气。由于这些材料的沸点不同，因此乙醇蒸气倾向于升至蒸馏管的上部，而大多数 水蒸气则在管壁上冷凝，并且不会离开蒸馏管。由于系统可以安装在不均勻的表面上，并且为了适当的蒸馏必须竖直对齐，因此 系统包括用于蒸馏管的竖直对齐系统。在一个实施方案中，万向接头与蒸馏管的上半部相 连。由于蒸馏管的大部分重量位于万向接头之下，因此其倾向于旋转为竖直对齐方式。系 统只可以允许在对齐过程中自由旋转。在进行对齐之后，系统可以将蒸馏管锁定在合适的 位置，从而防止在蒸馏过程中旋转移动。蒸馏管可以填充有材料填料或水平的打孔板，其被用于将蒸发的发酵醪与醇分 离。理想地，发酵醪和乙醇进入蒸馏管的下部和发酵醪蒸发。水和其它较重的材料被填料 或板堵住。与此形成对比的是，乙醇会倾向于保持为蒸气形式，并且继续沿着蒸馏管向上移 动。这有助于将水和其它污染物与乙醇蒸气分离。在一个实施方案中，将多个板竖直地偏置于蒸馏管中。然而，在优选的实施方案 中，将倾斜一定角度的打孔板置于蒸馏管中。可以对打孔板上的孔尺寸进行调节，以优化蒸 馏性能。当小型精炼系统已经运行较长时间或短暂终止生产时可能发生问题。发酵醪可能 残留在冷凝管内的填料或打孔板上，从而导致孔和/或填料堵塞。然后必须在系统能够以 最优效率操作之前对整个冷凝管进行清洁。为了减少这种堵塞问题，板可以成一定角度，使 得在水和发酵醪蒸气在板上冷凝时，重力倾向于将冷凝液朝板的下边缘引导。由于发酵醪 倾向于远离孔移动，因此对蒸馏管破坏的可能性明显较小。在一个实施方案中，蒸馏管为多件式单元，该单元可以被拆卸为多件。如果板或填 料需要进行更换或修复，可以将蒸馏管拆开，并且可以到达内部表面。在一个实施方案中， 蒸馏管可以沿其长度具有一个或多个连接件。连接件可以具有任何适当的设计。在优选的 实施方案中，连接件可以包括在蒸馏管的各部分旋转时与钩子配合的梢子。沿一个方向旋 转使得各分段以轴向对齐的方式连接，并且沿相反方向的旋转允许各部分松开并且分离。 当各分段连接在一起时，可以使用锁定机构防止各分段旋转。使离开蒸馏管的蒸气通过分离膜，以将乙醇与其它液体分离。膜可能由于过快地 暴露于热蒸气中产生的热冲击而受到破坏。为了防止膜受到热蒸气的破坏，系统可以包括预加热机构，以及检测膜温度的温度传感器。预加热机构可以为在膜暴露于热蒸气之前逐 渐地加热膜的加热器。可以通过控制器控制预加热，所述控制器可以调节热量增加的速率， 从而防止对膜的破坏。当膜温度与热水和乙醇蒸气的温度接近时，系统可以打开阀，从而允 许水和乙醇蒸气流过膜。膜具有允许较小的水分子通过、而较大的乙醇分子不通过的小孔，其中所述乙醇 分子流过离开口。可以使用真空引导水蒸气通过膜孔。在水与乙醇分离之后，多个换热器 和电热冷却器将乙醇和水蒸气重新转化为液体。水被回收，并且燃料级乙醇流入储存罐，并 且可供使用。在一个实施方案中，小型精炼系统存储乙醇以及汽油。在一个实施方案中，用 户控制乙醇与汽油的混合比例。当需要燃料时，只需向加油站那样通过软管和管嘴将混合 的燃料分配。小型精炼系统还可以包含能够检测系统元件性能和装置失效的传感器。各种类型 的传感器可以包括在系统中。压力传感器用于检测泵、柱流动和马达泵的失效条件。电学和 光学传感器可以测定糖、酵母、各种营养物、醇、水和PH平衡内容物。温度传感器测量内部 柱子、换热器、水储存水平、乙醇储存水平、热电冷却器、热电加热器和环境气氛内外的环境 蒸馏情况。加速计或应变式传感器测量发酵罐重量。电压和电流传感器测量柱加热元件、 马达、泵以及电源输入和输出电压。射频传感器检测Wi-Fi或数据单元网络。通过这些传 感器，可以监测系统操作情况。传感器数据可以由传感器传送到控制器内，该控制器能够分 析、处理和显示所检测的信息。
图1为小型精炼系统的一个实施方案的侧视图；图2示出电热机构；图3为示出批料重量随时间的变化的图；图4示出万向接头机构的图；图5示出蒸馏管板组件的俯视图；图6示出蒸馏管板组件的侧视图；图7示出具有多个连接件的蒸馏管；图8-10示出蒸馏管连接件的一个实施方案；图11示出用于分离水和乙醇的多孔膜的剖视图；图12示出系统控制器、以及与传感器和小型精炼系统的控制机构的连通；图13示出小型精炼系统和其它系统计算机之间的通讯连通；图14示出用于监测批料荧光率的传感器；图15示出用于监测批料的光学波长吸收传感器；图16示出用于监测批料的光学反射传感器；图17示出用于监测批料的pH传感器；图18示出用于监测批料的氧气传感器；以及图19示出用于监测批料的电阻传感器。
具体实施例方式参照附图1对本发明的小型精炼系统101的各部件进行描述。在一个实施方案中， 发酵罐103置于一个或多个测力仪105上，该测力仪105检测下游的力，并且产生相应的电 输出信号。测力仪105与系统控制器151相连，该系统控制器151在整个乙醇转化工艺中监 测罐103以及罐103中所有内容物的重量。测力仪105输出信号与所检测的重量成比例。 在一个实施方案中，系统控制器151可以进入校正程序，该程序检测空罐103的重量，并且 将空罐重量储存为补偿值。然后可以将补偿值从任何检测的重量中扣除，使得系统控制器 151可以检测引入到罐103中的材料的重量和量。可以在每次处理一批材料时重复发酵罐 103的校正过程。系统控制器151可以提供显示和/或音频指令，该指令可以基于待制备乙醇的估 测量而指示引入材料的次序和量。例如，在一个实施方案中，用户可以输入所需乙醇的量。 然后系统计算预期所需的材料量，以产生所需的乙醇量，并且指导用户引入特定量的糖和 原料。为了启动发酵程序，打开盖子111，并且将特定比例的糖和原料引入到罐103中。在一个实施方案中，糖是加入到发酵罐103中的第一材料。通过系统控制器151 检测糖的量，并且确定相应的水的体积。在加入糖之后，系统控制器151可以指导用户引入 原料。系统控制器151可以检测原料的重量，并且提供关于加入到发酵罐中的原料量的指 令和信息。系统控制器151可以检测引入材料的重量，并且可向用户提供指令，如加入更多 材料、在制备时降低材料引入速率以停止加入材料、以及停止加入材料。系统控制器151可 以具有指示向罐中加入材料的体积的目视显示器，因此用户知道何时应当终止加入材料， 以产生所需量的乙醇。系统控制器151还可以提供是否产生错误的反馈。例如，如果系统 控制器151检测到加入过多的糖，则系统可以通过增加加入到发酵罐103中的原料的量来 补偿加入额外的糖的错误。在另一个实施方案中，可以将糖、酵母和其它原料成分(如磷、硫、钾、镁、矿物、氨 基酸和维生素)储存在与发酵罐103相连的容器191内，并且控制系统151可以控制与容 器相连的阀193。因此，控制系统151可以将所需的材料加入到发酵罐103中，从而自动引 入糖、酵母和其它成分。系统还可以允许手工将大量的初始材料引入到发酵罐中，然后加入 储存在容器内的额外的材料，以根据需要调节批料。当将适合体积和比例的原料和糖引入 到发酵罐103中时，关闭盖子111。盖子111可以具有锁定机构，以防止在完成处理之前其 它任何材料加入到罐103中。如上所讨论，系统控制器151检测发酵罐103中的糖的量，并且计算发酵过程相应 的水的体积。系统可以自动地将发酵处理所需体积的水加入到罐103中。可以基于从水储 存罐103计量流入的水检测水的合适体积。或者，系统控制器151可以检测水的重量，并且 基于已知的体积重量计算所加入的水的体积。系统控制器151与水罐181和发酵罐103之 间的阀相连。系统控制器151可以打开阀，以使水流入罐103中，并且当检测到合适的体积 重量变化时，系统控制器151可以关闭阀。在其它实施方案中，可以手工将水加入到发酵罐 103中，并且系统会指示何时已加入合适量的水。在发酵罐103中存在水、原料和糖的合适混合物时，系统可以通过使搅拌器107旋 转从而将批料成分混合，以混合各材料。在一个实施方案中，马达109被用于转动与搅拌元 件107相连的轴115。搅拌元件107可以为细长的成角度的混合叶片，其在旋转时使罐103
8中的液体循环。需要进行混合，以使原料中的酵母与发酵所需的糖和营养液相接触。虽然 示出单个的搅拌器107，但是在其它实施方案中可以使用多个搅拌器，以混合材料，并且防 止糖和原料在罐103的角落结块。在一个实施方案中，控制系统151可以通过搅拌器107的旋转电阻或粘度检测批料 是否混合适当。较低的电阻或粘度表示搅拌器107仅与水接触，而较高电阻可以表示搅拌器 107与糖或原料的结块接触。系统可以被构造为使发酵罐103中的搅拌器107和轴115移动， 以完全混合批料。在混合过程中，旋转电阻是混合状态的指标。当旋转电阻保持不变并且对 应于混合物的合适电阻范围时，材料可以适当地混合。一旦检测到合适的混合粘度，则材料被 适当地混合，并且在发酵过程中可以终止搅拌器107的旋转或者使其周期性运转。在发酵过程中，酵母在水中被稀释时吸附糖。该反应在发酵过程的最后产生50% 的乙醇和50%的C02。以下的化学方程式总结了这种转化过程C6H12O6 (葡萄糖)一2CH3CH20H (乙醇)+2C02+ 热量在其它实施方案中，小型精炼系统能够处理纤维材料，以产生乙醇。纤维性乙醇由 植物废料制得，所述植物废料例如为木屑、玉米棒子和玉米杆、小麦桔和甘蔗茎、干和叶子 或地方性的固体植物废料。纤维性燃料生产的优点是小型精炼系统可以被构造为处理地区 性的植物材料，从而减少输送成本。例如，位于中西部的小型精炼系统可以被构造为处理小 麦秸和玉米残渣。在美国西部，小型精炼系统可以处理甘蔗茎。在太平洋西北部和东南部， 木材可以被转化为乙醇。玉米容易被处理，因为玉米具有酶可以容易地将其分解为糖的淀粉，并且酵母将 糖发酵，从而产生乙醇。与此形成对比的是，纤维性茎和叶含有更难以分解和分开的碳水化 合物，因为它们紧密地与其它化合物结合。因此，需要特定的处理，以由纤维性农场废料制 备乙醇。更具体而言，在发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， 农场废料处理需要基因改造的细菌，以将农场废料糖发酵为乙醇。使用农场废料的另一个问题是其可能与诸如岩石、粘土和沙砾等土壤物质混合， 所述土壤物质可能破坏小型精炼部件。为了防止这种破坏，可以用研磨机将纤维性材料研 磨，以在处理之前更精细地弄碎材料。还可采用给纤维性材料施加热量、压力和酸的机械将 纤维性材料分为葡萄糖和非葡萄糖类糖。热和压力产生糖和纤维浆料混合物。非葡萄糖性 糖从纤维上洗掉，并且基于葡萄糖的纤维被酶处理，从而分解，并且使糖与纤维分离。所分 离的糖然后由特定的细菌微生物发酵为含有乙醇、水和其它残渣的发酵醪。在发酵之后，小 型精炼系统使发酵醪蒸发，使得乙醇蒸气通过蒸馏管上升，从而将乙醇与水分离。来自蒸馏 管的蒸气通过多孔过滤器处理，如上所述，该过滤器被用于将乙醇蒸气与任何残留的水蒸 气分离。在另一个实施方案中，采用不同的工艺分离葡萄糖和非葡萄糖性糖。可以通过将 纤维性材料与约25-90重量％的酸溶液混合，从而将葡萄糖与非葡萄糖性糖的混合物分 离。酸至少部分分解纤维性材料，并且将材料转化为包含固定材料和液体部分的凝胶。然 后，将凝胶由约20重量％稀释为约30重量％，并且加热凝胶，从而至少部分地将材料中所 包含的纤维素分解。然后，可以将液体部分与固定材料分离，从而获得含有糖和酸的混合 液。然后，通过树脂分离将糖与混合液中的酸分离，从而产生含有总量为15重量％的糖并 且酸含量低于3重量％的混合糖液。
获得混合糖的方法还包括将分离的固体材料与约25-90重量％的硫酸的溶液混 合，从而进一步分解固定材料，以形成包含第二固定材料和第二液体部分的第二凝胶。将第 二凝胶液体稀释为约20重量％至约30重量％的酸浓度。然后，将稀释的第二凝胶液体加热 至约80°C至100°C的温度，从而进一步将第二凝胶中残余的纤维素水解。将第二液体部分 与第二固定材料分离，从而获得含有糖和酸的第二液体。可以将第一和第二液体组合，以形 成混合液。葡萄糖分离方法在2004年1月沈日提交的美国专利申请No. 10/485，285中具 有更详细的描述，其以引用的方式并入本文。用于由纤维性材料制备乙醇的所述方法具有 许多优点。树的剩余物、草坪修剪物和其它植物残骸通常被废弃在填筑池中。通过利用这 些材料制备乙醇，所产生的废物填筑池显著减少，小型精炼系统具有基本上自由的原料源， 并且产生更少的温室气体。发酵要求进行适当的温度控制，以保持各成分在合适的发酵温度范围内。如果酵 母温度过低，则酵母可能休眠，并且发酵减慢，而如果温度过高，则酵母可能被杀灭。存在各 种类型的酵母，其中一些具有高温耐受性。发酵罐103的内部温度应当在约60至90华氏 摄氏度之间，以保持酵母培养存活。为了增加发酵速度，温度可以保持为酵母耐受温度范围 的较高一端。在一个实施方案中，系统101还包括能够与发酵罐103相耦合的热电机构113。热 电机构113由直流电源供电，并且保持罐103中的最优处理温度。为了提供均勻的温度控 制，可以将多个热电机构113附连到罐103的多个分段。在一个实施方案中，系统控制器 151与热电机构113相连，并且在发酵罐103中安装有温度传感器。系统控制器151从温度 传感器接收与罐的内部温度相应的信号，并且确定罐103是否处于合适的温度范围，或者 批料是需要加热还是冷却。如上所讨论，发酵过程产生热量，因此在一些情况中，可能不需 要对罐103进行加热或冷却。如果系统检测到发酵罐103过冷，则系统控制器151以加热 工作模式向热电机构113施加直流电能。如果发酵罐103的温度过高，则可以通过将电源 的极性与热电机构113逆转，从而使热电机构113转换为冷却模式，以降低罐103的温度。 当发酵罐103的温度位于发酵的合适温度范围或最优温度范围内时，系统控制器151还可 以关闭热电机构113的电源。最优的温度范围可以取决于待发酵的酵母的具体种类，但是 其通常在约25°C至30°C之间。在另一个实施方案中，系统可以利用泵119，该泵119将批料泵送通过与发酵罐分 离的热电散热器117，然后使批料返回到发酵罐中。如果系统控制器151检测到批料过冷， 则驱动泵119被驱动以将批料泵送通过热电散热器117 (其由控制器151控制)，从而对批 料进行加热。或者，如果系统控制器151检测到批料过热，则驱动泵119被驱动以将批料泵 送通过热电散热器117 (其由控制器151控制)，从而将批料冷却。热电散热器117的出口 可以与发酵罐103相连，使得所有经热处理的批料均返回到发酵罐103中。在一个实施方案中，系统可以用于各种环境中，并且能够在各种环境条件下制备 乙醇。这需要在高温区域和季节将发酵罐冷却，并且在低温区域和季节将发酵罐103加热。 在位于更极端环境条件下的系统中可以使用更多的热电机构113。在一个实施方案中，用户 可能简单地购买并且安装热电机构113，以补偿更热或更冷的温度。还可以通过将小型精 炼系统置于保护性外壳内并且为小型精炼系统添加隔热装置，从而减少极端环境温度的影 响。
参照图2，在一个实施方案中，热电加热和冷却机构113可以具有围绕陶瓷芯体 209的两个金属板205和207。当充电时，板205和207发生震荡，从而产生冷侧205和热 侧207。在一个实施方案中，两个板205和207 —直在205和207这两侧之间保持69°C的 温差。通过由系统控制器151控制的直流电源203为板205和207施加电压。可以通过由 电源203将所施加的电能的极性逆转，从而控制热电机构113的加热或冷却输出。由于热 电机构113尺寸较小(直径约为2至4英寸)，因此热电机构113对于小型的冷却和加热应 用(如发酵罐中的批料)是理想的。可以将热电机构113安装在发酵罐103的壁上，或者如参照图1所讨论的那样，热 电机构可以被构造为热电散热器117。可以将发酵液泵送通过热电散热器117，以进行加热 和冷却。因此，热电加热和冷却机构113以及热电散热器117可以冷却批料发酵罐，或者通 过通过系统控制器151逆转施加给热电机构113和热电散热器117的直流极性，从而加热 批料。在优选的实施方案中，发酵罐103容纳约200加仑的液体。热电机构113对于处 于这种液体体积范围的小规模发酵批料是实用的，但是缺乏足够的热能对更大规模的商业 发酵处理进行热控制。因此，热电系统可以与本发明的系统一起用于控制约200加仑的液 体的温度，但是不合适对1，000加仑以上的商业发酵处理罐进行温度控制。发酵过程的问题是其并不总是可预测的过程。完成发酵过程所需的时间随着糖的 和酵母的纯度以及批料温度而改变。监测发酵过程的一种方式是监测发酵液的重量变化。 在发酵过程中，糖转化为乙醇和CO2，该CO2从发酵罐103中排出。因此，CO2的排出使得批 料重量降低。在一个实施方案中，采用力传感器105在发酵过程中周期性地或连续地检测 批料的重量。随着CO2从发酵罐103中排出，批料变轻。系统可以通过监测批料的重量，从 而监测批料发酵的进程。可以确定批料的初始重量，并且储存在储存装置中。批料的变化 由糖转化为从发酵罐103中排出的CO2而引起。当批料的重量减低已知的百分比时，系统控 制器151可以确定发酵过程结束。或者，当重量的降低速率减慢或停止时，系统控制器151 可以确定发酵过程结束。还可以将CO2传感器与发酵罐相连。由于排出CO2，罐103中的(X)2 水平较低表明批料产生了较少了 C02。如上所讨论，力传感器105可以用于在发酵过程的开始检测装在罐103中的糖、原 料和水的初始重量。然后，可以通过以一定的时间间隔对力传感器105采样，从而周期性地 检测重量。通过监测批料随时间的变化，重量随时间的变化速率可以用于确定发酵过程中 批料的状态。例如，参照图3，示出了批料的重量随时间的变化的图示。在发酵过程开始时， 批料的重量相当快速地降低。随着糖转化为乙醇的过程进行，重量减低的速率减慢。最后， 重量变化变得很低，从而表明发酵过程结束。除了检测批料的重量之外，系统还可以对批料成分进行化学检测。在一个实施方 案中，小型精炼系统包括图1所示的批料测试机构171，其能够检测批料的化学成分，并且 可以包括光学、电学、化学或任何其它类型的化学传感器。输送机构可以包括与泵173相连 的管175，从而将批料的样品输送到测试机构171。测试机构171可以与控制器151相连， 并且可以用于检测发酵过程中批料的化学平衡。将由测试机构171检测的批料成分的量或 比例与可以储存在查找表或者有其它来源提供的最优值进行比较。批料成分的最优比例可 以在发酵过程中改变。如果在测定值和最优值之间存在明显的差异，则控制器151可以将传送指出该问题的信号，并且/或者控制器151可以自动地将化学成分加入到发酵罐103 中，以使批料重新平衡。通过在整个发酵构成中连续地测试和调节批料，可以最大化地由批 料制备乙醇。以下对化学测试机构中所用的传感器的更具体的例子和说明进行描述。虽然针对发酵糖和原料的发酵罐103进行了以上描述，但是本发明的系统还能够 处理不同的材料，并且可以由回收的酒精饮料(如啤酒、葡萄酒和其它的含醇产品)提取乙 醇。用户可以将小型精炼系统的功能选择为糖发酵罐或废弃醇的处理器。在糖发酵模式中， 小型精炼系统将糖发酵，从而产生上述的醇。在醇回收模式中，含醇产品还在由蒸馏系统处 理之前进入发酵罐中，以转化为乙醇。多功能设计提供了回收通常存在于酒吧餐馆或葡萄 酒厂的糖或废弃醇的商业优点。在糖发酵之后或期间，可以向发酵罐中加入醇液。处理器能够指出可以何时加入 含醇饮料。在一个实施方案中，控制器可以驱动与盖子111相连的锁定机构，以允许或防止 用户向发酵罐103中加入材料。由于酵母的反应已经将大部分液体转化为二氧化碳，因此 在发酵结束时发酵罐103中的液体体积会降低，这产生了回收含醇饮料的空间。然后，小型 精炼系统将乙醇与批料分离，以及将醇与废弃饮料和其它液体成分分离。通过使液体通过蒸馏系统进行处理，从而将乙醇与水和其它液体分离。在一个实 施方案中，本发明的蒸馏系统包括泵127、加热器128、蒸馏管131和用于将蒸馏管131置于 竖直方向的万向接头机构139。可以通过安装于蒸馏管131上的回转器132来保持竖直方 向。回转器132包括可以与蒸馏管的竖直轴对齐的转子以及使转子旋转的马达。转子的转 动通过任何旋转移动使得回转器132和蒸馏管稳定。控制系统151控制泵127，以将发酵 罐103内的液体泵送通过加热器129，从而使水和乙醇沸腾并蒸发。蒸发的液体被引导到蒸 馏管131的底部。随着蒸气通过蒸馏管131朝上移动，乙醇分子与水分子分离，并且离开柱 子的上部。如果水和其它非乙醇类液体蒸发，则这些蒸气在蒸馏管131内冷却时倾向于在 蒸馏管的侧面冷凝。然后，冷凝的液体可以附着在蒸馏管131的内壁，或者沿着该内壁向下 滴落，而不离开管131的上部。蒸馏系统还可以包括一个或多个温度传感器，其监测蒸气温 度，并且控制加热器128，以产生处于最优分离温度的蒸气。过量的热会产生较快的蒸气速 率，从而导致更多的水离开蒸馏管131，而较低温度的蒸气温度会导致较少的乙醇从蒸馏管 131流出。蒸馏过程要求蒸馏管131处于精确的竖直对齐状态。蒸气缓慢地垂直上升，并且 在蒸气通过蒸馏管131的中心向上移动并且从上部离开时，其流动路径优选不受侧壁妨 碍。如果蒸馏管131不成竖直状态，则上升的蒸气会进入到管131的侧面，从而导致乙醇蒸 气冷凝，并且降低蒸馏系统的效率。类似地，沿着从竖直方向倾斜的侧壁上升的水蒸气可能 不会在侧壁上冷凝，从而降低水和乙醇的分离。因此，精确的竖直对齐状态对于高效蒸馏是 必需的。参照图4，万向接头机构139支撑蒸馏管131，并且允许管131自然地旋转为竖直 对齐状态。在一个实施方案中，万向接头机构139包括内枢轴305和外枢轴307，所述内枢 轴305将蒸馏管131与围绕管131的环309相连，所述外枢轴307将环309与固定支撑件 311(其与框架相连)相连。枢轴307和309可以包括低摩擦性轴承或轴衬，其允许枢轴307 和309以极低的摩擦力旋转。万向接头机构139安装在蒸馏管131的重力中心以上，使得 蒸馏管131在万向接头机构139以下的重力引起管131沿竖直方向自动自身对齐。如果固定支撑件311牢固地安装于框架上，则蒸馏管131自动地旋转为竖直对齐方式。在一个实施方案中，图1所示的回转器132安装于蒸馏管131的底部。回转器132 包括转子和使得转子转动的马达。由于回转器132的重量由蒸馏管131支撑，因此回转器 132的重力中心可以与蒸馏管131的竖直中心轴对齐，因此重量不会导致错位。转子的旋转 轴可以与蒸馏管的竖直轴对齐，并且当转子转动时，回转器132和蒸馏管131被稳定，使得 小型精炼系统的任何成角度的移动不会改变蒸馏管的竖直对齐方式。在一个实施方案中， 蒸馏管131在打开回转器并且转子开始转动之前是竖直对齐的。蒸馏管131可能是易碎的，并且在一些情况下，可能需要将蒸馏管131锁定在合适 的位置以防止移动。在一个实施方案中，竖直对齐系统包括防止蒸馏管转动的锁定机构。在 一个实施方案中，系统可以通过传感器(如与外壳相连的风力计和/或加速计)检测环境 条件。如果风速很高，系统可能移动，其会导致蒸馏管移动失去竖直对齐状态。为了防止蒸 馏管发生破坏的风险，在检测到预定的风速或加速移动时，系统可以具有能够被控制的“安 全”模式。例如，当所检测的风速大于40MPH或检测到地震大于5.0时，小型精炼系统可以 进入安全模式，其中蒸馏管和其它易碎系统部件被锁定在安全的位置。系统还可以从外部 来源(如因特网气象信息服务)接收其地理位置的气象警报，并且通过调度安全模式时间 从而应对风暴预警。控制器还可以关闭电源，并且/或者提供电涌保护，以防止由于电涌或 断电而对电学部件造成破坏。在一个实施方案中，蒸馏管可以填充有材料填料或水平打孔板，其被用于将蒸发 的发酵醪与醇分离。理想地，发酵醪和乙醇进入蒸馏管的下部，并且合并的蒸气沿着管往上 移动。水和其它较重的材料被填料或板堵住。与此形成对比的是，乙醇会倾向于保持为蒸 气形式，并且继续沿着蒸馏管向上移动。这有助于将水和其它污染物与乙醇蒸气分离。板 可以在蒸馏管内水平取向，并且可以沿着蒸馏管的长度设置多个板。当小型精炼系统短暂 停止生产时可能发生问题。水会冷凝或蒸发，而发酵醪可能保留在填料或打孔板上，从而在 系统再次使用时导致孔或填料堵塞。在对系统再次使用时可能对整个冷凝管进行清洗。为了减少这种问题，可以将打孔板403以一定角度安装在蒸馏管131中。图5示出 板组件401的俯视图，并且示出在成角度的板403中形成的一些孔405。图6示出组件401 的侧视图，并且示出板403的可能角度。当水和发酵醪蒸气冷凝在板403上时，重力倾向于 将这些液体朝向板403的下边缘引导。由于发酵醪液体倾向于原料孔405而朝向板403的 下边缘移动，因此不容易发生由于干燥的污染物而对蒸馏管板403的破坏。当安装在蒸馏 管中时，环407可以紧密地配合在蒸馏管的内径内。组件还可以具有将各部件保持为一件 式单元的上环和下环407，所述一件式单元容易安装或者容易取出以进行修复或维护。组件 401可以由任何适合的材料(如不锈钢和塑料)制得。组件401还可以涂敷或漆有防止生 锈和氧化的保护表层。虽然所示出的板403为平面结构，但是在其它实施方案中，其也可以 是非平面的。例如，板可以具有倒“V”形，使得冷凝的液体沿着板的相对下侧往下流。参照图7，示出了蒸馏管131以及相关的硬件部件的实施方案的侧视图。在一个实 施方案中，蒸馏管131为多件式单元，其可以被拆卸为多个部件。在该例子中，存在三个用 于将蒸馏管131的不同分段彼此固定的连接件421。然而，也涵盖可以使用任何数量的蒸馏 管分段和连接件421。连接件421是可分离的，以允许蒸馏管131被拆开。这在板或填料需 要更换或修复，或者需要到达内部表面以进行清洗时是特别有用的。这可以将所需的时间由几小时缩短到几分钟。多件式构造还允许蒸馏管131更容易运输，以进行现场维护和修 复，因为如果需要的话可以更换损害的部分，而不是整个管131。为了进一步简化从系统中 的取出，蒸馏管可以固定在蒸馏管131的外径上的快速分开连接器425。连接器425可用于 温度和压力传感器，以及液体入口和出口。连接件421的实施方案的细节示于图8-10中。图8示出配合状态的连接件421。 连接件421包括被安装在连接在蒸馏管131的外径的环423上、并且提供结构支撑的多个 梢子427和钩子429。梢子427和钩子4 分布在环423的外周。通过旋转蒸馏管131的 各分段，钩子4 与梢子427相固定，并且蒸馏管的各分段被固定在一起。在一个实施方案 中，锁定机构4 防止环423旋转，使得蒸馏管131的各分段不能分离。参照图9，当需要将蒸馏管131拆开时，将各分段旋转，使得梢子427与钩子4 分 开。如图10所示，在梢子427与钩子4 分离时，蒸馏管131的各分段可以彼此分离。在 其它实施方案中，可以采用各种其它类型的连接机构将蒸馏管的各分段固定在一起。在小型精炼系统正常操作时，热乙醇和水蒸气离开蒸馏管131，并且移动通过膜系 统135，该膜系统135将水分子与醇分子分离。膜系统135包括可以由陶瓷、玻璃或非常粗 糙的材料制得的多孔分离膜。参照图11，膜606具有多个小孔607，该小孔607允许水分子 609通过，但是对于乙醇分子611却过大而不能使其通过。较高的蒸汽压使得较小的水分子 609流过孔607。通过使蒸气通过膜606，水分子609被分离，并且基本纯的乙醇分子609通 过膜系统离开。因此，孔607大于水蒸气的直径，而小于乙醇蒸气的直径。在一个实施方案 中，孔607的直径可为约2至40埃米。使用多孔膜系统的潜在问题是膜材料可能容易发生热破坏。特别是，如果乙醇蒸 气的温度实质上高于膜的温度，则膜可能发生“热破坏”。例如，膜可能出于环境温度下，然 后直接暴露于热的乙醇蒸气中，从而导致破坏。为了防止膜的热破坏，采用微型控制加温系 统对膜预热，以确保膜温度适合于处理处理热蒸气。在一个实施方案中，膜的温度由与膜系 统相连的热电偶检测。当控制系统引导液体流出发酵罐到达加热器和蒸馏管时，该系统在 热蒸气被引导至蒸馏管之前检测膜的温度。参照图1，如果膜较冷，则系统控制器151可以 驱动加热元件，并且监测膜温度。当膜温度升高时，控制系统可以具有温度调节设置，从而 防止加热器对膜过度加热。当将膜温度预热至安全温度时，系统控制器151可以允许热蒸 气通过蒸馏管131流到膜上。一旦热蒸气流过膜，则蒸气会加热膜，并且可以停止对加热元 件的供电。为了有助于乙醇和水分离过程，可以借助于真空143将水蒸气引导通过多孔膜。在一个实施方案中，膜系统135可以具有备用膜135。如果一个膜系统135受到破 坏，则控制器会检测到失效，并且控制器151可以控制阀136将来自蒸馏管131的水和乙醇 蒸气分流到备用膜系统135上。控制器151可以通过收发器197将指示膜135受到破坏的 信号传送给操作者或者维护组。然后可以在水和乙醇通过备用膜系统135分离时，将受破 坏的膜系统135更换。在水通过膜系统135和真空143之后会冷凝，并且流入水储存罐181中，然后其被 再次用于发酵罐131中。所分离的乙醇离开膜系统135，然后流过热电冷却器166，该冷却 器166使乙醇冷凝为液体。然后液体乙醇流入对其进行储存的储存罐145，其后使其与汽油 混合。于储存罐145相连的超声波或其它液体传感器可以检测储存罐145中的乙醇水平， 并且将这种乙醇生产信息提供给系统控制器151。在一个实施方案中，系统控制器151可以
14检测乙醇储存罐145充满的时间，并且停止蒸馏过程，直到储存罐145中具有可供利用的空 间为止。在一个实施方案中，本发明的小型精炼系统可以通过系统控制器151将储存在乙 醇储存罐145中的乙醇与储存在汽油储存罐155中的汽油以任何由用户设定的比例进行混 合。控制系统包括允许用户选择所需的燃料混合比的用户界面。系统可以包括防止燃料 混合物设置超过车辆所允许的最大或最小乙醇百分比的锁合结构。一旦选择了燃料混合 物，用户可以采用小型精炼功能，如常规的汽油泵。用户从小型精炼系统的支架上取出管嘴 163，并且将其置于车辆的罐式填充器内。将与管嘴163相连的操作杆驱动，以驱动泵149， 该泵149使燃料由罐145和155通过软管卷筒157、软管161和管嘴163流到车辆的罐式填 充器内。系统以不同的流动速度运行乙醇和汽油泵149，以产生规定的燃料比例。管嘴163 检测车辆罐被充满的时间，并且自动地终止燃料通过管嘴163的流动。当车辆罐充满时，用 户将管嘴163放回到支架上，并且更换燃料填充器的盖子，以终止填充过程。在乙醇罐145 至少部分被排放时，系统可以开始制备更多的乙醇。乙醇与汽油或其它燃料的混合比例可以取决于被加燃料的车辆的类型。只有针对 使用纯乙醇对发动机进行设计或改造时才可以在内燃机中使用纯乙醇。然而，乙醇可以与 汽油以各种比例混合，以用于未经改造车辆发动机中。在美国，被设计为通过汽油运行的常 规小汽车只能使用含有至多15%乙醇的混合燃料。与此形成对比的是，美国柔性燃料汽车 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 标有乙醇百分比的字母“E”表示。例如，典型的乙醇燃料名称包括E5、E7、E10、E15、E20、 E85、E95和ElOO等，其中E5为5%的乙醇和95%的汽油。在完成由各小型精炼系统所进行的处理之后，还可以将小型精炼系统进行清洁。 在一个实施方案中，小型精炼系统包括这样的清洁机构，其可以将加压的肥皂水喷洒发酵 罐，这会从罐和其它部件中除去颗粒物质。然后，系统可以淋洗系统部件，以除去肥皂和其 它残迹。在一个实施方案中，打开排放阀，以允许发酵罐和蒸馏系统的废液通过排放软管从 系统中排出。系统可以包括自动的清洁系统，其利用连接在水源和释放高压水的喷嘴之间 的阀，并且由系统控制器驱动。可以直接针对发酵槽壁进行喷洒，以除去沉积的材料。当从 小型精炼系统的内表面上除去挥发性材料时，打开排放阀，并且将废料往下倾倒入公共排 放系统中。由于小型精炼系统为复杂的机构，因此传感器和控制器被用于自动进行操作，并 且优化乙醇制备性能。小型精炼系统包括监测处理系统的操作条件的各种传感器，所述处 理系统包括发酵罐、测力仪重量检测系统、温度控制系统、发酵罐的混合搅拌器、蒸馏系 统、膜分离系统、储存罐以及混合和泵送系统。所有这些系统均包括与控制器相连的传感 器。参照图12，示出系统控制器151的简化框图。控制器151包括中央处理单元(CPU) 601、 目视显示器603(其也可以是输入装置)、用户输入机构609(如按钮、键盘等)。为了使 CPU601与诸如马达、传感器等模拟装置通讯，需要模拟到数字转化器611以及数字到模拟 转化器613。模拟到数字转化器611被用于将模拟数据信号转化为能够被CPTOOl解析的 数字信号，并且数字到模拟转化器613被用于将来自CPTOOl的数字控制信号转化为模拟装 置。CPTOOl可以与电子存储器605相连。在一个实施方案中，控制器151与检测小型精炼 系统和系统部件的操作的各种传感器305-313相连，并且与控制小型精炼系统的操作的各种传感器314-317相连。在一个实施方案中，控制器151可以解析所检测的传感器205信息，该信息可以发 出音频或视频状态指示。控制器151还可以与提供小型精炼系统的状态的指示的灯199相 连。光的颜色可以指示系统状态。绿光可以表示一切正常，黄光可以表示系统需要注意，并 且红光可以表示系统已被关闭。如图1所示，灯199可以被安装于小型精炼系统101的上 表面，以获得最优的可视性。如果小型精炼系统101彼此之间相互间隔设置，则状态指示灯 199可以安装在这样的位置，该位置使得用户相隔一定距离就能容易地看到状态指示信号。 在其它实施方案中，音频警报器可以在系统需要注意或者系统已经被关闭的紧急状态时发 出声音。图13为示出小型精炼系统101和其它系统部件之间的通讯联系的图。控制器151 还可以与收发器197相连，该收发器197能够通过有线或无线通讯传送和接受信息。例如， 小型精炼系统可以与计算机网络通讯，以允许计算机监测小型精炼系统的操作和材料的处 理情况。控制器151可以通过收发器197由计算机网络将小型精炼系统操作信息(如所检 测的传感器和产生信息)传送给各种其它计算机或服务器223。控制器151还可以从其它 计算机或服务器223接收控制指令，以根据所检测的操作条件进行小型精炼系统的操作。收发器197允许系统控制器151传送诸如传感器输出数据等所检测的操作信息， 并且从外部来源接收操作指令。收发器可以是与个人计算机或网络(其与其它计算机223 相连)通讯的有线单元或无线单元。硬件通讯电缆还可以在操作者计算机223和一个或多 个小型精炼系统101之间延伸。小型精炼系统101与计算机223或网络之间的通讯可以通 过各种不同的模式，包括射频，如WiFi、无线电台或卫星，或者光学模式，如IR。例如，传送 的类型可以基于小型精炼系统的位置。接近私人居所或商业建筑的操作者计算机可以具有 WiFi通讯系统。距离操作者计算机223超过射频通讯范围的小型精炼系统可能需要无线电 台或卫星通讯系统。由传感器检测的小型精炼系统信息可以被传送到微处理器601并储存在存储器 中，并且/或者然后其被传送到收发器，并且输送到计算机网络如因特网。传送的类型可以 基于小型精炼系统的位置。接近私人居所或商业建筑的计算机223可以具有WiFi通讯系 统。与此形成对比的是，位于更远区域的计算机223可能需要无线电台或卫星通讯系统，或 者可能需要多个计算机223和多种通讯途径，如无线或有线网络。在采用通讯系统的情况下，小型精炼系统可以与用户的个人计算机、系统维护服 务商、组长、维修组、原料供应商、管理部门或其它小型精炼系统之间传送并且接收信息。在 一些情况下，信息可以由小型精炼系统传送到用户的个人计算机。用户可以解析信息，并且 由个人计算机将信息传送到服务商或其它计算机。通过引入通讯网络，可以利用有线LAN、 无线网络(如WiFi)、无线电台或卫星连接远程通讯，并且可以远程监测小型精炼系统。通 过通讯系统传送的信息可以用于各种目的，包括系统操作监测、诊断、操作优化、政府部门 负责的乙醇制备、材料储存监测以及材料订购等。所传送的数据可以取决于信息的接收者。 例如，监管部门只可能需要知道小型精炼系统的乙醇输出量。与此形成对比的是，用户或维 护部门需要知道操作条件和任何处理错误。因此，与政府部门相比，传送给用户或维护部门 的传感器信息更多。用于小型精炼系统的通讯系统还可以用于其它目的。例如，在一个实施方案中，通讯系统可以与在共同待审的美国专利申请No. 12/110, 242( "Method For Using Carbon Credits With Micro Ref ineries (将小型精炼与碳信用一起使用的方法)”)中所讨论的 碳排放项目一起使用，所述专利申请以引用的方式并入本文。碳信用项目可以发放兑换券， 其具有的值基于由于利用由小型精炼系统产生乙醇代替相同体积或等价体积的汽油而导 致的CO2排放的减少量。碳信用可以具有基于CO2排放的减少量的值，条件是利用由小型 精炼系统制备的乙醇代替相同体积或等价体积的汽油。由于乙醇相比于汽油的CO2排放是 直接可定量的，因此可以通过测定流入储存罐145中的乙醇的体积的传感器精确地确定CO2 排放的减少量。系统可以自动地传送由小型精炼系统制备的乙醇的体积测量值，使得小型 精炼系统的所有人可以记录下相应的碳信用。通讯系统还可以用于交易碳信用。碳信用购买者可以为个人或者公司实体，其可 能希望通过减少碳的覆盖区域来改善世界。购买者还可能需要减少碳排放，以符合所颁布 的限制碳排放的政府规定。可以通过计算机网络或者基于因特网的销售系统以电子方式将 碳信用销售给购买者。小型精炼系统可以指示可提供的碳信用的量，并且以规定的价格销 售一个或全部的碳信用。或者，小型精炼系统可以利用拍卖网址，以将一些或全部碳信用拍 卖给出价最高的投标者。在一些情况下，小型精炼系统可能只具有少量的碳信用，并且可以 将多个小型精炼系统合并，并且将它们的累积碳信用一起销售。在优选的实施方案中，小型精炼系统收发器可以通过网络(如因特网)与用户计 算机和/或其它服务器计算机通讯，这可有助于小型精炼系统的监测和维护。小型精炼系 统可以与用户的个人计算机共享操作信息，并且根据来自小型精炼系统的数据，用户可以 订购原料、进行维护，并且被告知任何系统故障。根据所产生数据类型的不同小型精炼系统 信息的接收者可能有所不同。用户的计算机可以将操作信息发送到各种其它的实体，如系 统维护服务组、小型精炼组管理者、小型精炼系统原料供应商和政府管理部门。在一些情况 中，小型精炼系统可以共享信息。例如，位于相同区域的小型精炼系统可以比较乙醇制备 量，以帮助确认该区域的最优操作条件。相同区域的小型精炼系统还可以分享供料信息，使 得可以一起订购大量的原料，并且在该区域的小型精炼系统之间可以分享运输成本。为了进行适当的操作，可能需要将原料恒定地或周期性地引入到小型精炼系统 中。通过使用原料储存区域的力传感器，可以监测供应原料的重量。系统被构造为随着原 料的消耗自动地将原料填充处理罐。系统还可以检测储存区域内的原料和其它批料成分或 添加剂的重量/数量。当储存区域内的原料或批料成分供料走低时，系统可以通知用户、系 统维护服务提供者或供料分销商批料需要补充。在完美的处理条件下，批料可能不需要恒定的化学成分再平衡。然而，如果在处理 条件下存在多个变量，或者小型精炼系统同时用于处理批料或废弃的含醇饮料，则系统可 能需要连续地测试并调节发酵罐的批料含量。具有高糖含量的含醇饮料可以为批料提供 糖。所需的批料还可能随着由废弃的含醇饮料制备的乙醇的量而变化。如果由含醇饮料制 备更多的醇，则需要较少的原料来制备所需体积的乙醇。在又一个实施方案中，系统可以包括检测储存罐中的经处理的醇的量的传感器。 如果储存罐几乎充满，则系统可以减少乙醇制备，而如果储存罐充满，则系统可以停止乙醇 制备。相反，如果系统检测到乙醇储存罐几乎空的时候，则系统可以增加制备。通过减慢或 停止蒸馏处理可以控制制备。通过监测用户的乙醇需求和批料含量，系统能够预测材料的需求，并且具有所需的可供处理的材料。小型精炼系统不必停止生产，因为所需的材料在需 要时总是实地存在。可以通过各种通讯手段将原料通知传送给用户，所述通讯手段包括由小型精炼系 统网络传送到用户计算机的电子信号，该信号在用户图表界面信号上以指示物的形式显 示。或者，原料通知可以以电子邮件通知、文本或声音信号的形式传送到用户的计算机或电 话。在其它实施方案中，用户可以授权或者构造系统自动地联系原料提供者，并且在原料供 应量过低时要求额外的原料。在储存过程中留有预定量的原料时就可以传送信号，使得用 户有时间在系统耗尽材料之前补充供料。在其它实施方案中，有规律地确定并且提供原料输送。系统可以检测生产需求，或 者原料消耗的速率，并且调节供料，以补偿高于或低于预期量的乙醇制备。例如，制备需求 可以以储存在罐中的乙醇体积为依据。系统可以在储存量较低时自动地增加原料供料，并 且在储存体积几乎充满时，减少原料供料。还可以基于所预测的消耗速率调节原料供料的量。在一个实施方案中，系统还可以用于检测小型精炼系统中的操作误差。现场问题 还可能由于故障和极端的气象条件而导致装置停工以及高成本的现场维修服务。为了检测 装置问题，小型精炼系统可以包括检测系统故障的多个传感器。参照图13，通过远程监测小 型精炼系统和环境条件，系统可以在系统存在问题时通知用户计算机223。然后操作者可以 检查系统，并可以修复该问题。如果用户不能修复该问题，用户可以给服务中心打电话，并 且可以将维修人员送至小型精炼系统101。在一些情况中，小型精炼系统101可以进行自 我诊断，并且确定该问题。该诊断信息可以被传送至用户计算机223、维修商服务器计算机 223和/或服务中心223。在一些安装操作中，用户可能不希望管理小型精炼系统101的操作，相反则让维 修提供者维护小型精炼系统。所有信息都可以被传送至系统维护服务器223，或者小型精炼 组管理者计算机。用户计算机223可以接收基础信息，如图表形式(其容易被用户解析)的 小型精炼系统101的状态和来自服务提供者223的服务更新。因此，小型精炼系统101可 以被构造为将不同形式的不同信息传送给不同的计算机223。在一个实施方案中，小型精炼系统所有者可能为维护公司提供进入权利，以进行 远程系统辅助，并且来自小型精炼系统101的传感器数据可以被传送至监测小型精炼系统 的101的维护公司服务器223。由于维护公司可能不对显示的外观感兴趣，因此来自小型精 炼系统101的数据输出可以为“服务输出模式”(其可以主要为最低程度或没有数据格式化 的源数据)。这种源数据减少了数据传输的量，其能够使多个小型精炼系统101由维护公司 远程监测。如果检测到小型精炼系统101的任一个存在问题，维护公司服务器223可以为 小型精炼系统101提供数字指令，或者如果该问题需要手工操作，服务技术人员可以进入 小型精炼系统101，以进行服务或维护。在一个实施方案中，可以为小型精炼系统101编程，以将基础服务要求传送给用 户计算机223，并且如果该问题需要经训练的技术人员，则小型精炼系统101可以通知服务 中心计算机223，使得可以立即要求技术人员。小型精炼系统101还能够确认可能已经失效 或出问题的部件，并且从服务中心计算机223要求这些部件。在一个实施方案中，可以自动地进行一些系统维护。例如，参照图1，在一个实施方案中，小型精炼系统可以具有用于将乙醇与水分离的备用多孔膜135。如果多孔膜受到破 坏，小型精炼系统101可以检测到该问题，然后自动地将蒸馏管的出口的阀161转换到备用 膜135，从而可以继续乙醇制备。然后，小型精炼系统101可以要求服务商修复受破坏或有 问题的多孔膜135。各种其它系统部件可以具有能够在失效情况下使用的备用单元。当由公司和个人操作的小型精炼系统的数量增加时，可能需要监测乙醇制备的政 府或监管部门。根据商业燃料规定，允许政府监管机构获得精炼制备信息，并且法律可能要 求商业燃料制备公司向政府机构报告燃料销售情况，以获得税收。还可能要求私人拥有并 且操作的小型精炼系统进行类似的燃料制备报告。然而，由于私人小型精炼系统的发展可 能在扩展到全世界的各种远程位置，因此政府机构难以使用针对监测大型精炼系统设计的 现有方法来监测个人燃料制备情况。许多小型精炼系统可能由私人拥有并操作，这些人可能不知道如何报告由他们的 系统制备的乙醇。为了自动地将所需的信息发送给监管机构，小型精炼系统可以被构造为 自动地周期性将制备信息传送给机构账务系统。在其它实施方案中，小型精炼系统可以储 存制备信息，并且监管机构能够获得制备信息。通过将小型精炼系统控制器与计算机网络 相连，制备信息可以容易地被传送给需要该信息的任何监管实体。通过电子传送小型精炼 系统数据，用户不必手工获得并且将乙醇制备信息传送给监管结构。通过允许与小型精炼 系统电子通讯，监测小型精炼系统的乙醇制备信息的管理成本也达到最少化。在一个实施方案中，可以通过小型精炼系统101中的燃料流量传感器监测乙醇制 备信息。小型精炼系统101可以通过远程宽带界面与相连的政府机构计算机223相连，所 述计算机223可以监测个人燃料制备和/或消耗。数据可以以确认信息传送，从而政府能 够将乙醇制备信息与合适的小型精炼系统相关。如果来自小型精炼系统101的乙醇制备进 行缴税，则该税收可以成为地方、州和联邦政府机构的收益。在一个实施方案中，小型精炼系统101还可以包括远程控制特征。在该实施方案 中，系统包括多个控制小型精炼系统101的制动器。用户以及监管机构可以进行这种远程 控制。如果监管机构确定违反了政府规定，则可以由授权的政府机构将违规的小型精炼系 统101远程关闭。例如，监管结构可以远程控制制动阀门，该阀门控制乙醇从小型精炼系统 101的流出。通过关闭该阀门，系统能够处理罐中的乙醇，但是不能从小型精炼系统101中 取出储存罐中的乙醇。在其它实施方案中，政府对小型精炼系统的控制可以包括一系列活 动，包括开始将关于遵守要求的信息传达给小型精炼系统所有者和/或所有者计算机223。 如果在规定的期限内规定遵守情况没有校正的话，则监管机构可以开始控制小型精炼系统 101的操作，并且如果操作者继续违反规定要求的话，其可能最后终止小型精炼系统101的 操作。如上所讨论，小型精炼系统可以包括多个检测小型精炼系统的各种操作特征的传 感器。通过监测传感器数据并且根据传感器数据进行调整，小型精炼系统可以适当地保持， 并且以最优效率工作。影响发酵过程的一个主要因素是批料的温度。在一个实施方案中， 批料的温度由与控制器相连的收发器监测。参照图1，控制器控制施加给热电机构113的电 能，斌且使用热电机构113调节批料的温度，从而使得批料温度保持在最优的温度范围内。 系统可以保持设定温度的批料处于设定温度的几度范围内，该范围可以为约25°C至30°C。 温度在发酵过程中可能是最关键的。在发酵结束之后，系统可以允许乙醇温度随大气条件而变化。这允许系统在不需要对批料加热或冷却时节省能量。在一个实施方案中，系统还可以通过基于发酵时间比较所检测的批料重量与预期 的重量的，从而监测发酵过程。理想地，重量随时间的变化应当是可预测的，并且在发酵过 程中处于预期的范围内。偏离预期的重量减轻速率可能表示存在潜在的发酵处理问题。例 如，发酵过程中在特定的点高于预期的重量减轻速率可能是由于水从发酵罐中损失(由泄 漏或蒸发而引起)造成的。如果重量减轻速率低于预期值，这可能表示发酵过程存在问题。 如果批料重量减轻速率不适当，系统可以进行额外的测试，以确定是否批料存在问题。在一 个实施方案中，可以对批料样品进行测试，以确定是否酵母和其它成分处于合适的浓度，以 及糖是否被处理。在一个实施方案中，小型精炼系统可以检测批料混合物中的化学成分，并且如果 检测到化学失衡，则系统控制器还可以提供反�。⑶医行Ｕ�。当用户混合含有未经平衡 的成分混合物的废弃的含醇饮料或新鲜原料以便最大化乙醇产量时，上述化学检测可能是 有用的。例如，如果用户处理含有大量酵母、但是不含糖的废弃啤酒就是如此。缺乏糖可能 防止醇发酵速率升高。缺乏糖还可能防止用于乙醇处理的海藻和微生物纤维性材料的生 长。系统可以监测到这种化学失衡，并且进行所需的校正。在另一个例子中，如果系统控制 器检测到加入过多的糖，则系统可以通过增加处理过量的糖所需的酵母和原料，从而弥补 这种差错。小型精炼系统可以包括检测水、醇、糖、酵母和其它化学品的比例的传感器，因此 可以加入适当的成分，以便最大化乙醇制备量。为了检测化学品的合适浓度，控制器可以将所检测的化学品的量或比例与电子存 储器中储存的查找表中所列的预期成分测定值进行比较。如所述的那样，发酵罐可以与重 量传感器和化学性质传感器相连。化学性质传感器可以监测批料中一种或多种化学品的浓 度。通过获知批料中的成分和材料的量，系统可以确定批料是否为实现最大化乙醇制备的 最优混合物。查找表可以为化学成分及其相对浓度的数据库。例如，批料可以以如下的原料开 始，该原料包含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(如梭状芽孢杆菌)。随着发酵过程进行，糖含量降低，而乙醇含量增加。材料的相对重 量在发酵过程中会发生变化。查找表的一个例子如以下的表1所示。系统可以利用具有各 种不同的成分值的查找表，所述成分值可能取决于环境条件和/或待处理的特定材料。除 了表1所列的材料之外，查找表还包括各种其它批料处理成分，如化和C02。表1
发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围量围围围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%
权利要求
1.一种小型精炼装置，包括发酵罐，所述发酵罐用于发酵包含水、糖和酵母的批料； 用于蒸馏乙醇的蒸馏管，所述蒸馏管具有多个分段并且与所述发酵罐相连； 连接机构，所述连接机构用于将所述蒸馏管的多个分段可分离地固定在一起； 与所述蒸馏管相连的万向接头机构，所述万向接头机构用于使所述蒸馏管沿竖直方向 对齐；与所述蒸馏管相连的过滤机构，所述过滤机构用于将乙醇与水分离；以及 用于储存乙醇的储存罐，所述储存罐与所述过滤机构相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述连接机构包括固定在所述蒸馏管的外径周围 的多个梢子和钩子，所述梢子和钩子彼此配合，从而将所述蒸馏管的分段相连，并且所述梢 子和钩子相分开，从而将所述蒸馏管的分段分离。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括多个打孔板，所述打孔板竖直地间隔开和基本 上彼此平行，并且沿倾斜的方向安装在所述蒸馏管内。
4.根据权利要求3所述的装置，还包括与所述多个打孔板相连的板组件，其中所述板 组件安装在所述蒸馏管内。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括用于保持所述蒸馏管的竖直对齐的回转器，该 回转器与所述蒸馏管相连。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述回转器内的旋转转子的旋转轴与所述蒸馏管 的竖直轴对齐。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括与所述过滤机构相连的多孔膜，该多孔膜具有 多个大于水蒸汽分子、但是小于乙醇蒸气分子的孔隙。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述多孔膜的孔隙的直径在约3至30埃米之间。
9.一种小型精炼装置，包括发酵罐，所述发酵罐用于发酵包含水、糖和酵母的批料； 与所述发酵罐相连的蒸馏管，所述蒸馏管用于蒸馏乙醇； 与所述蒸馏管相连的对齐机构，所述对齐机构用于保持所述蒸馏管的竖直对齐； 与所述蒸馏管相连的过滤机构，所述过滤机构用于将乙醇与水分离； 与所述过滤机构相连的储存罐，所述储存罐用于储存所述乙醇； 传感器，所述传感器在发酵步骤中检测所述批料的物理性质； CPU,其从所述传感器接收表示所述批料的物理性质的信号，并且确定所述批料的物理 性质是否处于可接受范围之外，如果所述物理性质处于可接受范围之外，则所述CPU发送 警报信号。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述蒸馏管具有多个分段，并且连接机构用于将 所述蒸馏管的多个分段可分离地固定在一起。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述连接机构包括固定在所述蒸馏管的外径周 围的多个梢子和钩子，所述梢子和钩子彼此配合，从而将蒸馏管的分段相连，并且所述梢子 和钩子相分开，从而将所述蒸馏管的分段分离。
12.根据权利要求9所述的装置，还包括多个打孔板，所述打孔板竖直地间隔开和基本 上彼此平行，并且沿倾斜的方向安装在所述蒸馏管内。
13.根据权利要求12所述的装置，还包括与所述多个打孔板相连的板组件，其中所述 板组件安装在所述蒸馏管内。
14.根据权利要求9所述的装置，还包括与所述蒸馏管相连的回转器，该回转器用于保 持所述蒸馏管的竖直对齐。
15.根据权利要求9所述的装置，其中所述回转器内的旋转转子的旋转轴与所述蒸馏 管的竖直轴对齐。
16.根据权利要求9所述的装置，其中所述CPU将所述物理性质与包括所述物理性质的 最优范围的查找表进行比较。
17.根据权利要求9所述的装置，还包括与所述过滤机构相连的多孔膜，该多孔膜具有 多个大于水蒸汽分子、但是小于乙醇蒸气分子的孔隙。
18.根据权利要求14所述的装置，其中所述多孔膜的所述孔隙的直径在约3至30埃米 之间。
19.根据权利要求18所述的装置，还包括第一储存室，所述第一储存室用于储存第一化学成分；以及第一阀，所述第一阀由所述CPU控制，并且安装在所述第一储存室和所述发酵罐之间；其中所述物理性质为所述批料中的所述第一化学成分的浓度，并且如果所述第一化学 成分的浓度位于可接受的范围之外，则所述CPU打开所述第一阀，以将所述第一化学成分 加入到所述发酵罐中。
20.根据权利要求9所述的装置，还包括用于加热和冷却所述批料的热电机构，该热电 机构与所述发酵罐相连，并且具有安装在陶瓷芯体相对侧的两个金属板。
全文摘要
一种小型精炼系统，包括发酵罐、蒸馏管和膜乙醇分离机构。包含糖、酵母和水的批料在发酵罐中混合。传感器检测批料的物理性质以及系统的操作状态。传感器与控制系统相连，所述控制系统将所检测的处理信息与查找表进行比较，以确定系统是否在最优的乙醇制备条件下操作。如果传感器检测到批料存在问题，则控制系统可以向批料中加入化学成分，以校正化学失衡。系统还可以通过将检测的信息传送给操作者计算机并且从操作者计算机接收控制指令，从而有利于进行远程操作。
文档编号G01N31/00GK102066923SQ200980122923
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月21日 优先权日2008年4月25日
发明者T·J·奎恩 申请人:E-燃料公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
