專利名稱：燃料生產(chǎn)的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及燃料生產(chǎn)，包括從植物油和動物脂肪生產(chǎn)生物柴油(bio-diesel)燃料。
可使用植物油和動物脂肪醇解的油源來生產(chǎn)脂肪酸烷基酯，其可用作柴油燃料，本文通常稱為“生物柴油”燃料。在一種生產(chǎn)方法中，使用諸如堿金屬氫氧化物和醇化物的非酶催化劑來促進該醇解。該醇解的副產(chǎn)物是甘油。該非酶催化劑和甘油一起被除去，而不能重復使用。由于含有大量的所述催化劑，因此甘油的純化是非常困難的。在另一生產(chǎn)方法中，使用諸如脂肪酶的酶催化劑來促進從天然油脂通過醇解生產(chǎn)烷基酯的反應。將含有甘油三酯和醇的油源溶解在有機溶劑中。使用脂肪酶作為催化劑，所述甘油三酯和醇反應生成烷基酯，副產(chǎn)物為甘油。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，通常本發(fā)明涉及用于生物柴油燃料生產(chǎn)的酶催化轉(zhuǎn)酯作用方法，該方法以有效的成本方式生產(chǎn)諸如烷基酯(在某些實施方案中，副產(chǎn)物為甘油)高純度的燃料，同時廢物和還原副產(chǎn)物較少。用于該酶催化轉(zhuǎn)酯作用的處理設備可使用資本投資較低的簡單的配置來構建。
另一方面，通常本發(fā)明涉及包括第一反應器的裝置，該反應器具有入口、酶及出口，其中所述入口接收包含第一反應物、第二反應物、反應產(chǎn)物和溶解至少部分所述第一和第二反應物的惰性溶劑的混合物；所述酶用于促進所述第一和第二反應物之間的反應以產(chǎn)生更多反應產(chǎn)物；所述出口將反應產(chǎn)物輸出，其包括所述入口接收的反應產(chǎn)物和所述第一和第二反應物之間的反應生成的反應產(chǎn)物。所述裝置包括回流機制(returnmechanism)以將來自出口的反應產(chǎn)物的至少部分送回所述入口。
本發(fā)明的實施包括一個或多個以下特征。
所述反應產(chǎn)物包括烷基酯。所述回流機制將至少部分所述烷基酯送回入口。所述混合物包括溶解至少部分所述第一反應物、第二反應物和反應產(chǎn)物的溶劑。所述出口至少輸出所述烷基酯、所述溶劑和未反應的第一反應物。
所述裝置還包括蒸發(fā)器，以將所述溶劑蒸發(fā)產(chǎn)生包括所述烷基酯和未反應的第一反應物的混合物。所述出口還可輸出甘油。所述裝置還可包括蒸發(fā)器，以將所述溶劑蒸發(fā)產(chǎn)生包括所述烷基酯、甘油和未反應的第一反應物的混合物。所述裝置還包括相分離裝置，以根據(jù)液液相分離將所述烷基酯與甘油分離。
所述第一反應物包括甘油三酯。所述第一反應物包括羧酸。所述第二反應物包括伯醇和仲醇中至少一種。所述第一反應物包括植物油和動物脂肪中至少一種。所述反應產(chǎn)物含有適合用作燃料的組合物。所述反應產(chǎn)物含有適合用作柴油機燃料的組合物。所述反應產(chǎn)物含有適合用作內(nèi)燃柴油機和燃氣輪機柴油機中至少一種的燃料的組合物。
所述裝置還包括混合器，其具有用于接收所述第一反應物的第一入口、用于接收所述第二反應物的第二入口、用于接收來自所述反應器出口的部分反應產(chǎn)物的第三入口，用于接收所述惰性溶劑的第四入口和用于輸出包括所述第一反應物、第二反應物、惰性溶劑和反應產(chǎn)物的混合物的出口。所述出口還輸出其它組分，且所述回流機制還將至少部分所述其它組分送回所述入口。所述酶促進了所述其它組分和所述第二反應物之間的反應，以產(chǎn)生更多的反應產(chǎn)物。所述其它組分包括甘油單酯、甘油二酯、甘油三酯和羧酸中至少一種。
所述裝置還包括第二反應器，該反應器具有入口、酶及出口，其中所述入口接收來自所述第一反應器出口的另外的第二反應物和反應產(chǎn)物；所述酶用于促進所述第二反應物和其它組分之間的反應以產(chǎn)生更多的反應產(chǎn)物；所述出口將反應產(chǎn)物輸出，其包括所述第二反應器入口接收的反應產(chǎn)物和所述第二反應物和其它組分之間的反應生成的反應產(chǎn)物。
所述裝置還包括蒸發(fā)器，以將所述惰性溶劑和未反應的第一反應物及未反應的第二反應物中至少一個蒸發(fā)。所述裝置還包括短程蒸發(fā)器(short-path evaporator)，以將所述反應產(chǎn)物與殘余的未反應的反應物分離。所述反應產(chǎn)物包括烷基酯。所述反應產(chǎn)物包括至少99％的烷基酯。所述裝置還包括回流機制，以將來自所述第二反應器出口的烷基酯的至少部分送回所述第一反應器的入口。所述第一反應物包括甘油三酯或羧酸，且所述第二反應物包括伯醇或仲醇。
再一方面，通常本發(fā)明涉及包括反應器的裝置，該反應器具有接收包括反應物的混合物的入口，促進所述反應物間的反應的酶，以及將至少部分所述反應產(chǎn)物送回所述入口的回流機制。
本發(fā)明的實施可包括一個或多個以下特征。
所述反應產(chǎn)物包括烷基酯，且所述回流機制將至少部分所述烷基酯送回所述入口。所述反應物包括(1)甘油三酯和羧酸中至少一個，及(2)伯醇和仲醇中至少一個。所述酶包括脂肪酶。
再一方面，通常本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生烷基酯的系統(tǒng)，其包括第一子系統(tǒng)和第二子系統(tǒng)。所述第一子系統(tǒng)包括第一反應器，其具有第一入口、第一酶和第一出口，其中所述第一入口接收包括第一反應物、第二反應物和用于溶解所述第一和第二反應物的第一惰性溶劑的第一混合物；所述第一酶用于促進所述第一反應物和第二反應物之間的反應以產(chǎn)生反應產(chǎn)物；所述第一出口輸出所述反應產(chǎn)物、惰性溶劑和其它組分。所述第二子系統(tǒng)包括第二反應器，其具有第二入口、第二酶和第二出口，其中所述第二入口接收包含另外的第二反應物、惰性溶劑、至少部分的反應產(chǎn)物和來自所述第一出口的其它組分的第二混合物，所述第二酶用于促進所述第二反應物和其它組分之間的反應以產(chǎn)生更多的反應產(chǎn)物，且所述第二出口輸出所述反應產(chǎn)物，其包括所述第二入口接收的反應產(chǎn)物和由所述第二反應物與其它組分之間的反應產(chǎn)生的反應產(chǎn)物。
本發(fā)明的實施可包括一個或多個以下特征。
所述反應產(chǎn)物包括包括烷基酯。所述系統(tǒng)還包括用于將來自所述第一出口的烷基酯的至少部分送回所述第一入口的回流機制。所述系統(tǒng)還包括用于將來自所述第二出口的烷基酯的至少部分送回所述第一入口的回流機制。第二反應器出口處的反應產(chǎn)物中烷基酯的百分比高于第一反應器出口處的反應產(chǎn)物中的烷基酯的百分比。
所述第二子系統(tǒng)包括分離器，其用于從所述第二出口輸出的第一溶液中去除不同于烷基酯的組分的至少部分，以獲得含有至少90％重量比的烷基酯的第二溶液。所述分離器包括蒸發(fā)器。所述分離器包括液液分離器。
所述第一子系統(tǒng)包括分離器，其用于從所述第一出口輸出的第一溶液中去除不同于烷基酯的組分的至少部分，以獲得烷基酯濃度高于所述第一溶液的第二溶液。所述分離器包括蒸發(fā)器。所述分離器包括液液分離器。
在某些例子中，所述第一反應物包括甘油三酯。在其它例子中，所述第一反應物包括羧酸。所述第二反應物包括伯醇和仲醇中至少一種。所述第一子系統(tǒng)包括混合器，其具有用于接收所述第一反應物的第一入口，接收所述第二反應物的第二入口，接收所述惰性溶劑的第三入口，混合所述第一反應物、第二反應物和所述惰性溶劑的結(jié)構，以及用于輸出包括所述第一反應物、第二反應物和惰性溶劑的第一混合物的出口。在某些例子中，所述第一酶與所述第二酶相同。在其它例子中，所述第一酶與所述第二酶不同。所述第一酶和第二酶中至少一個包括脂肪酶。
再一方面，通常本發(fā)明涉及包括反應器、分離單元和回流機制的裝置。所述反應器具有用于傳輸包括第一反應物、第二反應物、惰性溶劑和反應產(chǎn)物的均勻狀態(tài)的混合物的管路，接收藥筒的連接器，所述藥筒具有用于從所述管路接收所述混合物的入口，用于促進所述第一反應物和第二反應物之間的反應以產(chǎn)生更多的反應產(chǎn)物的酶，以及輸出所述反應產(chǎn)物的出口，其包括所述入口接收的反應產(chǎn)物和由所述第一反應物和第二反應物之間的反應產(chǎn)生的反應產(chǎn)物。所述分離器單元對所述出口的輸出進行處理產(chǎn)生具有較高百分比的反應產(chǎn)物的溶液。所述回流機制將至少部分所述溶液送回所述管路。
再一方面，通常本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生烷基酯的系統(tǒng)，其包括第一子系統(tǒng)和第二子系統(tǒng)。所述第一子系統(tǒng)包括第一反應器，其具有用于傳輸包括第一反應物、第二反應物、惰性溶劑和烷基酯的均勻狀態(tài)的第一混合物的第一管路，接收第一藥筒的第一連接器，所述第一藥筒具有用于從所述第一管路接收所述混合物的第一入口，用于促進所述第一反應物和第二反應物之間的反應以產(chǎn)生烷基酯的第一酶，以及輸出所述烷基酯、所述溶劑和其它組分的第一出口。所述第二子系統(tǒng)包括第二反應器，其具有用于傳輸包括另外的第二反應物、惰性溶劑和來自所述第一出口的烷基酯和其它組分的至少部分的第二混合物的第二管路，接收第二藥筒的第二連接器，所述第二藥筒具有用于從所述第二管路接收所述混合物的第二入口，用于促進所述第二反應物和其它組分之間的反應以產(chǎn)生更多烷基酯的第二酶，以及輸出所述烷基酯的第二出口。
再一方面，通常本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生烷基酯的系統(tǒng)，其包括用于接收包括第一反應物和第二反應物的混合物的藥筒，所述藥筒包括用于促進所述第一和第二反應物間的反應以產(chǎn)生反應產(chǎn)物的酶，所述藥筒具有標識符，和根據(jù)該藥筒的標識符來控制所述系統(tǒng)的操作條件的控制器。
本發(fā)明的實施可包括一個或多個以下特征。
所述反應產(chǎn)物包括烷基酯。所述酶包括脂肪酶。所述控制器根據(jù)所述標識符控制泵速，其中所述泵速影響所述溶液經(jīng)過所述藥筒的速度。所述控制器根據(jù)所述標識符控制加熱器，其中所述加熱器影響所述溶液的溫度。所述控制器根據(jù)所述標識符確定何時發(fā)出所述藥筒需要更換的信號。
再一方面，通常本發(fā)明涉及包括第一反應器、第一分離器和回流機制的裝置，所述反應器具有用于接收油源和反應物的入口，用于促進所述油源與反應物之間的反應以產(chǎn)生所需產(chǎn)物和其它組分的酶；所述第一分離器用于將所需產(chǎn)物與所述其它組分分離以產(chǎn)生所需粗產(chǎn)物；且所述回流機制將所需粗產(chǎn)物的至少部分送回所述第一反應器的入口。
本發(fā)明的實施可包括一個或多個以下特征。
所需產(chǎn)物包括燃料。所需產(chǎn)物包括烷基酯。
所述裝置還包括第二反應器和第二分離器，所述第二反應器具有用于接收包含另外的反應物和至少部分所述粗產(chǎn)物的混合物的入口，用于促進所述反應物和所述粗產(chǎn)物組分之間的反應以產(chǎn)生更多所需產(chǎn)物的酶；所述第二分離器用于將所需產(chǎn)物與其它組分分離以產(chǎn)生高純度的所需產(chǎn)物。
所述油源包括甘油三酯和羧酸中至少一種。所述粗燃料包括烷基酯。所述反應物包括伯醇和仲醇中至少一種。所述酶包括脂肪酶。
再一方面，通常本發(fā)明涉及包括含有酶的藥筒的裝置，將所述藥筒配置為與烷基酯發(fā)生器連接。所述烷基酯發(fā)生器包括混合器和回流機制，該混合器將第一反應物、第二反應物、惰性溶劑和烷基酯混合形成流過所述藥筒的溶液，其中所述藥筒中的酶促進所述第一和第二反應物間的反應，以產(chǎn)生更多的烷基酯；所述回流機制將所述第一和第二反應物間的反應產(chǎn)生的烷基酯的至少部分送回所述混合器。
本發(fā)明的實施可包括一個或多個以下特征。
所述酶包括脂肪酶。所述藥筒在其上包括與所述烷基酯發(fā)生器操作相關的信息。
再一方面，通常本發(fā)明涉及包括含有酶的藥筒的裝置，將所述藥筒配置為與產(chǎn)生烷基酯的二級系統(tǒng)的第一子系統(tǒng)相連。所述第一子系統(tǒng)接收第一反應物、第二反應物和惰性溶劑，并使包括所述第一反應物、第二反應物和惰性溶劑的混合物通過所述藥筒，所述酶促進所述第一和第二反應物間的反應以產(chǎn)生第一產(chǎn)物，其中通過第一分離器對所述第一產(chǎn)物進行處理以產(chǎn)生具有烷基酯第一百分比的粗產(chǎn)物。所述第二子系統(tǒng)接收所述粗產(chǎn)物和另外的第二反應物，并產(chǎn)生第二產(chǎn)物，其中通過第二分離器對所述第二產(chǎn)物進行處理以產(chǎn)生具有烷基酯第二百分比的精制產(chǎn)物，其中所述第二百分比高于第一百分比。
再一方面，通常本發(fā)明涉及包括含有酶的藥筒的裝置，將所述藥筒配置為與產(chǎn)生烷基酯的二級系統(tǒng)的第二子系統(tǒng)相連。所述第一子系統(tǒng)接收第一反應物和第二反應物，并產(chǎn)生具有第一烷基酯百分比的粗產(chǎn)物。所述第二系統(tǒng)接收所述粗產(chǎn)物和另外的第二反應物，使包括所述粗產(chǎn)物和另外的第二反應物的混合物通過所述藥筒，所述酶促進所述粗產(chǎn)物中的成分與所述第二反應物間的反應以產(chǎn)生輸出，其中通過分離單元對所述輸出進行處理，以產(chǎn)生具有烷基酯第二百分比的精制產(chǎn)物，其中所述第二百分比高于所述第一百分比。
再一方面，通常本發(fā)明涉及包括含有脂肪酶的藥筒的裝置，所述藥筒配置為與烷基酯發(fā)生器連接。所述烷基酯發(fā)生器包括混合器，該混合器將油源和伯醇或仲醇在有機溶劑中混合以形成流過所述藥筒的溶液，其中所述油源包括甘油三酯，且所述脂肪酶促進所述甘油三酯和伯醇或仲醇之間的反應以產(chǎn)生烷基酯，其中在整個反應過程中所述溶液不發(fā)生相分離，且產(chǎn)生副產(chǎn)物甘油。所述烷基酯發(fā)生器還包括蒸發(fā)器、相分離器和第二分離器，所述蒸發(fā)器用于去除所述有機溶劑和未反應的伯醇或仲醇，所述相分離器用于將所述烷基酯與甘油分離，所述第二分離器用于將烷基酯與未反應的油源分離。
本發(fā)明的實施可包括一個或多個以下特征。所述第二分離器包括短程蒸發(fā)器。
再一方面，通常本發(fā)明涉及包括含有脂肪酶的藥筒的裝置，所述藥筒配置為與烷基酯發(fā)生器連接。所述烷基酯發(fā)生器包括混合器，該混合器將油源和伯醇或仲醇在有機溶劑中混合以形成流過所述藥筒的溶液，其中所述油源包括甘油三酯，且所述脂肪酶促進所述甘油三酯和伯醇或仲醇之間的反應以產(chǎn)生烷基酯，其中在整個反應過程中所述溶液不發(fā)生相分離，且產(chǎn)生副產(chǎn)物水。所述烷基酯發(fā)生器還包括蒸發(fā)器和分離器，所述蒸發(fā)器用于去除所述有機溶劑和未反應的伯醇或仲醇，所述分離器用于將烷基酯與未反應的油源分離。
本發(fā)明的實施可包括一個或多個以下特征。所述第二分離器包括短程蒸發(fā)器。
再一方面，通常本發(fā)明涉及包括蒸發(fā)器和分離器的裝置，所述蒸發(fā)器具有用于接收包含烷基酯、醇、惰性溶劑和甘油的混合物的入口，所述蒸發(fā)器用于蒸發(fā)所述惰性溶劑和醇以產(chǎn)生包括烷基酯和甘油的溶液；且所述分離器具有用于接收所述溶液的入口，所述分離器根據(jù)液液相分離將所述烷基酯與甘油分離。
再一方面，通常本發(fā)明涉及動力發(fā)生器，其包括基于酶的烷基酯發(fā)生器和發(fā)電機。所述烷基酯發(fā)生器包括用于接收包含反應物的混合物的入口，用于促進所述反應物間的反應以產(chǎn)生烷基酯的酶，用于將來自所述出口的烷基酯的至少部分送回所述入口的回流機制。所述發(fā)電機包括用于接收所述烷基酯發(fā)生器產(chǎn)生的烷基酯的入口，用于將所述烷基酯中的能量轉(zhuǎn)換為電的轉(zhuǎn)換器，及用于輸出所述轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電的出口。
本發(fā)明的實施可包括一個或多個以下特征。
所述烷基酯發(fā)生器至少部分由所述發(fā)電機產(chǎn)生的電驅(qū)動。所述反應物包括甘油三酯和醇。
再一方面，通常本發(fā)明涉及包括用于儲存反應物的貯存器、基于酶的烷基酯發(fā)生器和發(fā)動機的交通工具。所述烷基酯發(fā)生器包括用于接收包含反應物的混合物的入口，用于促進所述反應物間的反應以產(chǎn)生烷基酯的酶，用于將來自所述出口的烷基酯的至少部分送回所述入口的回流機制。所述發(fā)動機包括用于接收所述烷基酯發(fā)生器產(chǎn)生的烷基酯的入口，用于將所述烷基酯中的能量轉(zhuǎn)換為動能的轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的實施可包括一個或多個以下特征。
所述烷基酯發(fā)生器至少部分由所述發(fā)動機產(chǎn)生的動能驅(qū)動。在某些例子中，所述交通工具還包括傳輸機制，以將所述動能傳輸至輪子。在某些實施例中，所述交通工具還包括將所述動能傳輸至推進器的傳輸機制。
再一方面，通常本發(fā)明涉及包括用于儲存反應物的貯存器、酶基烷基酯發(fā)生器和發(fā)電機的交通工具。所述烷基酯發(fā)生器包括用于接收包含反應物的混合物的入口，用于促進所述反應物間的反應以產(chǎn)生烷基酯的酶，用于將來自所述出口的烷基酯的至少部分送回所述入口的回流機制。所述發(fā)電機包括用于接收所述烷基酯發(fā)生器產(chǎn)生的烷基酯的入口，用于將所述烷基酯中的能量轉(zhuǎn)換為電的轉(zhuǎn)換器，及用于輸出所述轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電的出口。所述交通工具還包括電子元件和用于將至少部分所述發(fā)電機產(chǎn)生的電傳輸至所述電子元件的電線。
本發(fā)明的實施可包括一個或多個以下特征。在某些例子中，所述交通工具包括飛機。在某些例子中，所述交通工具包括汽車。在某些例子中，所述交通工具包括輪船。
再一方面，通常本發(fā)明涉及包括用于烹調(diào)食物的廚房、用于儲存烹調(diào)食物用過的回收油的貯存器和基于酶的烷基酯發(fā)生器的建筑。所述烷基酯發(fā)生器包括用于接收包含所述回收油和反應物的混合物的入口，用于促進所述回收油和反應物之間的反應以產(chǎn)生烷基酯的酶，用于將來自所述出口的烷基酯的至少部分送回所述入口的回流機制。
本發(fā)明的實施可包括一個或多個以下特征。
所述建筑還包括發(fā)電機和電線，所述發(fā)電機包括用于接收所述烷基酯發(fā)生器產(chǎn)生的烷基酯的入口，用于將所述烷基酯中的能量轉(zhuǎn)換為電的轉(zhuǎn)換器，及用于輸出所述轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電的出口；所述電線用于將至少部分所述電傳輸至所述建筑。
再一方面，通常本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生烷基酯的裝置，所述裝置混合器、反應器、蒸發(fā)器和相分離器，其中所述混合器將油源與伯醇或仲醇在有機溶劑中混合形成溶液，所述油源包括甘油三酯；所述反應器接收所述溶液，并包括用于促進所述甘油三酯和伯醇或仲醇之間的反應以產(chǎn)生烷基酯的脂肪酶，其中產(chǎn)生副產(chǎn)物甘油；所述蒸發(fā)器用于去除所述有機溶劑和未反應的伯醇或仲醇；且所述相分離器用于將所述烷基酯與甘油分離。
本發(fā)明的實施可包括一個或多個以下特征。
所述反應器接收的溶液在整個反應過程中不發(fā)生相分離。所述有機溶劑的每個分子都包括雜原子和多個碳原子，其中所述碳原子數(shù)目為4-8。所述有機溶劑包括C4-C8的叔醇。所述有機溶劑包括以下至少一種叔丁醇、2-甲基-2-丁醇、2，3-二甲基-2-丁醇、2-甲基-2-戊醇、3-甲基-3-戊醇、3-乙基-3-戊醇、2，3-二甲基-2-戊醇、2，3-二甲基-3-戊醇、2，2，3-三甲基-3-戊醇、2-甲基-2-己醇和3-甲基-3-己醇。所述有機溶劑包括嘧啶。所述伯醇和仲醇兩者中至少一個由1-18個碳原子構成。所述油源包括植物油、動物油和廢油脂中至少一種。
所述裝置還包括載體，其中所述脂肪酶固化在所述載體上。所述脂肪酶包括南極洲假絲酵母(candida antarctica)脂肪酶、嗜熱真菌(thermomyces lanuginosa)脂肪酶、熒光假單胞菌(pseudomonas fluorescens)脂肪酶、洋蔥假單胞菌(pseudomonas cepacia)脂肪酶及viscosum色素桿菌(chromobacterium viscosum)脂肪酶。所述反應器的一部分維持在0-95℃的反應溫度，以促進所述甘油三酯與伯醇或仲醇之間的反應。所述裝置還包括配置用來在1-180分鐘內(nèi)產(chǎn)生流過所述反應器的溶液的泵。
所述裝置還包括加熱器，以將所述油源加熱至150-215℃。在將所述油源輸送至所述混合器之前，將所述加熱的油源冷卻至所述反應溫度。所述裝置還包括入口，以在所述溶液輸送至所述反應器前將烷基酯加入所述溶液。所述裝置還包括回流機制，以使所述相分離器分離的烷基酯的至少部分進入所述入口并加入所述溶液中。
再一方面，通常本發(fā)明涉及一種方法，該方法包括將藥筒插入烷基酯發(fā)生器，所述藥筒具有入口、出口和位于所述入口和出口之間的酶；讀取在所述藥筒上編碼的信息；及根據(jù)所述信息控制所述烷基酯發(fā)生器的操作。
本發(fā)明的實施可包括一個或多個以下特征。對所述烷基酯發(fā)生器操作的控制包括控制流入所述藥筒入口的溶液的溫度和流速中至少一個。
再一方面，通常本發(fā)明涉及加工食物的方法，所述方法包括用油加工食物；回收用來加工所述食物的油；接收包括回收油、反應物和惰性溶劑的混合物；使用酶來促進所述回收油和反應物間的反應以產(chǎn)生烷基酯；通過將部分所述烷基酯與所述混合物混合將至少部分所述烷基酯再循環(huán)，所述烷基酯輔助所述回收油和反應物的溶解；由所述烷基酯產(chǎn)生電能或機械能；并驅(qū)動使用所述電能或機械能來加工食物的裝置。
再一方面，通常本發(fā)明涉及開動交通工具的方法，所述方法包括接收包括反應物和惰性溶劑的混合物，使該混合物通過酶藥筒以促進所述反應物間的反應以產(chǎn)生烷基酯；通過將部分所述烷基酯與所述混合物混合將至少部分所述烷基酯再循環(huán)，所述烷基酯輔助所述回收油和反應物的溶解；由所述烷基酯產(chǎn)生電能或機械能；并驅(qū)動使用所述電能或機械能來開動交通工具的裝置。
通過以下說明和權利要求，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點是顯而易見的。
本文涉及的所有出版物、專利申請、專利或其它參考文獻均引入作為參考。當與所述參考文獻產(chǎn)生矛盾時，以本發(fā)明的說明書包括定義為準。


圖1所示為燃料生產(chǎn)系統(tǒng)的簡圖。
圖2A-2D燃料生產(chǎn)設備的不同配置的簡圖。圖2A為具有粗生物柴油回流的單級設備。圖2B為具有來自第一級回流的粗生物柴油的二級設備。圖2C為一級設備。圖2D二級設備。
圖3為具有粗生物柴油回流的單級設備簡圖。
圖4為具有粗生物柴油回流的單級設備的示意圖。圖4A-C為圖4的局部放大圖。
圖5為具有粗生物柴油回流的單級設備的示意圖。圖5A-D為圖5的局部放大圖。
圖6為具有粗生物柴油回流的二級設備的示意圖。圖6A-C為圖6的局部放大圖。
圖7為燃料生產(chǎn)系統(tǒng)的簡圖。
圖8連接有發(fā)電機的燃料生產(chǎn)系統(tǒng)的簡圖。
圖9為具有燃料生產(chǎn)系統(tǒng)的運輸工具的簡圖。
圖10為連接有燃料處理單元的燃料生產(chǎn)系統(tǒng)簡圖。
具體實施例方式
1.概述參考圖1，燃料生產(chǎn)系統(tǒng)包括處理設備100，其采用諸如豆油的油源110，并產(chǎn)生諸如烷基酯的生物柴油燃料150或諸如潤滑油或化學中間體的相關產(chǎn)物。處理設備100使用每個利用酶催化劑142的一個或多個反應器140。所述處理設備利用諸如無水叔醇或無水嘧啶的惰性溶劑120，以及諸如伯醇或仲醇的反應物130，該伯醇或仲醇例如甲醇。在處理過程中，處理設備100回收一些惰性溶劑120和反應物130，用來補充供料。所述處理設備還產(chǎn)生諸如廢水或甘油的聯(lián)產(chǎn)物160。
以下對一些不同規(guī)格的所述處理設備進行了描述。這些規(guī)格的區(qū)別在于以下特征，例如，諸如反應器處理級的數(shù)量(例如，單個反應器為單級，兩個反應器為二級)，在級反應器之前的中間粗生物柴油的回流安排，以及在特殊的油源中，惰性溶劑、生物催化劑和相關的所用操作條件。例如，所述處理設備能夠以連續(xù)的流量方式操作，或可選擇地以鍋式方式操作。
不同規(guī)格的所述處理設備可具有不同的物理尺寸。在一個例子中，所述設備相對緊湊，例如制冷機尺寸，允許在消耗所述生物柴油燃料的位點展開，諸如用于發(fā)電的柴油發(fā)動機。其它的規(guī)格可對應增加的產(chǎn)量有明顯增加的尺寸。在一些例子中，能將所述設備設計成家用的具有與大型冰箱相似的尺寸，并能夠有每天200升或更低的產(chǎn)量。在其它的例子中，能夠?qū)⑺鲈O備設計成農(nóng)場、購物商場或軍事領域使用，并具有與長度為20-40英尺的容器的相似尺寸。在其它的例子中，能夠?qū)⒃O備100設計成用于商業(yè)工廠使用并具有40,000噸至大于25,000噸的年產(chǎn)量。
1.1設備配置參考圖2A-D，四個示例性的設備配置采用不同數(shù)量級和不同類型的回流。參考圖2A，單級設備采用單反應器140。反應器(R-1)140的輸出返回至分離器(S-1)220，其包括來自所述反應器輸出的分離惰性溶劑120的組分，未反應的反應物130及副產(chǎn)物160，來產(chǎn)生粗生物柴油產(chǎn)物225，例如，利用蒸發(fā)器和液-液分離器的組合。由混合器210的輸出提供反應器R-1 140的輸入，該混合器接收油源110、惰性溶劑120和反應物130。在此規(guī)格的設備中，混合器210還接收由分離器S-1輸出提供的一些粗生物柴油225。這種粗生物柴油的回流具有兩個優(yōu)點(1)增加所述反應物中反應的完整性，及(2)減少所需的在混合器210中混合的惰性溶劑量。分離器220的輸出返回至最終的分離器230，例如，短路徑蒸發(fā)器或短路徑蒸餾作用，其進一步純化所述生物柴油來產(chǎn)生“純的”生物柴油150的輸出。作為例子，粗生物柴油225可以是90-99％重量百分比純度，且純的生物柴油150可以高于99％重量純度。此規(guī)格的設備具有相對少的組件，因此能夠適于小的和便攜式規(guī)格以及較大的規(guī)格。
參考圖2B，二級設備100B利用兩個工段101和105，每個包括反應器140。第一反應器(R-1)140和第一分離器(S-1)220的設置與圖2A所示類似，包括利用自第一分離器220的輸出至對于第一反應器140的混合器210的粗生物柴油225回流。在此規(guī)格的設備中，所述第一分離器220的輸出返回至第二混合器210，該混合器混合粗生物柴油225以及另外的惰性溶劑120和反應物130。第二混合器210的輸出返回至第二反應器(R-2)140。第二反應器140的輸出流經(jīng)第二分離器(S-2)220。第二分離器220的輸出能夠直接用作生物柴油燃料150，或在輸出前優(yōu)選通過最終分離器230。作為例子，在此二級設備中，從第一分離器220的粗生物柴油225輸出為至少90％重量百分比純度，而第二分離器的輸出為至少95％純度。
參考圖2C-D，沒有采用粗生物柴油的設備具有另外與如圖2A-B所示設備相似的配置。作為例子，在這些規(guī)格的所述設備中的第一分離器220的輸出為至少80％純度，且在如圖2D所示的兩級規(guī)格中，所述第二分離器的輸出為至少95％純度。
當所述催化劑(例如脂肪酶的特殊類型)昂貴，且所述終產(chǎn)物具有高附加值時，例如對于醫(yī)藥用途，該單級設備100C是有作用的。在單級設備100C中所需的脂肪酶量可少于二級設備100B和100D的所需量，因此能夠成本更有效地制備終產(chǎn)物。
設備100A至100D可具有多種配置。在所述設備中可包括附加的組件，例如增加或降低所述溶液溫度的熱交換器，及控制所述溶液流量的泵?？砂ㄈコ瞾砣コ恍枰臐穸取⒏视突蚱渌恍璧膩碜援a(chǎn)物的雜質(zhì)。例如，在單級設備100C中，分離器220能夠從所述產(chǎn)物中分離未完全反應原料(例如，反應物和油源)，從而再循環(huán)未完全反應原料。在這種情況下，用離子交換樹脂填充的去除甘油床可用來從所述再循環(huán)原料中去除痕量的甘油。
在一些例子中，使用當某些類型的酶催化劑時，例如使用嗜熱真菌(thermomyces lanuginose)脂肪酶時，限制流入反應器140的溶液中的濕度量是有用的。在這種情況下，對于更小的設備，在油給料入口物流處能夠使用利用濕度吸附(或吸收)樹脂填充的藥筒式除水床。對于較大的設備，能夠通過其它的去除技術來控制水的濕度，例如蒸發(fā)或熱干空氣剝脫儀器。
在所述二級設備(例如，100B和100D)的例子中，可省去最終的分離器230。
在設備100A至100D中，通過熱力學可確定反應器140中的反應平衡，且不依賴于所述酶催化劑的類型。因此，所述生物柴油的的濃度是溫度、惰性溶劑濃度、反應物濃度及產(chǎn)物濃度的函數(shù)。當其它條件保持一致時，不同溫度能夠獲得不同生物柴油平衡濃度。
1.2化學配置如Chih-Chung Chou在2004年9月20日提交的題目為“制備烷基酯的方法”的美國申請第10/945,339號中描述了適合不同規(guī)格的燃料生產(chǎn)設備的油源、惰性溶劑、反應物和催化劑以及相關的包括溫度和反應時間的操作條件，其在此引用作為參考。
處理方法是基于高純度烷基酯可從油給料(例如，植物油或動物油)中通過脂肪酶催化反應容易地制備這一發(fā)現(xiàn)，其中脂肪酶的失活被最小化了。特別是，通過轉(zhuǎn)酯作用或酯化反應可產(chǎn)生烷基酯。所述方法包括(1)將含有甘油三酯或羧酸的油源與第一伯醇或第一仲醇在第一有機溶劑中混合來形成第一溶液；其中每分子第一有機溶劑含有雜原子和4-8個碳原子；(2)將所述甘油三酯或所述羧酸與所述第一伯醇或第一仲醇在第一脂肪酶的存在下反應來產(chǎn)生第一烷基酯，其中所述第一溶液在所述整個反應中不進行相分離；及(3)從所述第一溶液中分離所述第一烷基酯。
適合的油源的例子包括植物油(例如微藻類油)，動物油(例如，魚油、豬油、煉好的動物脂或牛羊脂)，廢棄油脂(例如廢棄的餐油脂)，或其水解部分(例如羧酸)。在混合步驟之前，可將所述油源加熱到150-215℃并冷卻到所述反應溫度。
在反應前，可將所述油源與第一伯醇或第一仲醇在第一有機溶劑中混合來形成單相溶液。第一伯醇和仲醇的例子包括含有1-18個碳原子的醇，例如甲醇、乙醇、異丙醇、異丁醇、3-甲基-1-丁醇、己醇、辛醇、癸醇或月桂醇。所述第二有機溶劑的例子包括嘧啶或C4-C8叔醇(例如，t-丁醇、2-甲基-2-丁醇、2，3-二甲基-2-丁醇、2-甲基-2-戊醇、3-甲基-3-戊醇、3-乙基-3-戊醇、2，3-二甲基-2-戊醇、2，3-二甲基-3-戊醇、2，2，3-三甲基-3-戊醇、2-甲基-2-己醇或3-甲基-3-己醇)。所述第一有機溶劑可與其它的適合的溶劑混合。優(yōu)選地，所述第一有機溶劑可與烷基酯混合，其可以是從本發(fā)明方法中獲得的烷基酯或從其它來源的烷基酯(例如，購自商業(yè)來源)。當所述第一有機溶劑與另一種溶劑一起使用時，其加入量能夠滿足維持所述反應中第一溶液的均一性，由此最小化所述第一脂肪酶的失活。術語“脂肪酶”指能夠催化轉(zhuǎn)酯作用或酯化反應的任何酶。例子包括南極州假絲酵母脂肪酶，嗜熱真菌(thermomyces lanuginose)脂肪酶、熒光假單胞脂肪酶、洋蔥假單胞菌脂肪酶或viscosum色素桿菌脂肪酶。所述第一脂肪酶包括單一脂肪酶和兩種或更多種脂肪酶的組合。有效將其固化在所述第一反應器中的載體上?？稍?-95℃(例如20-95℃)進行所述轉(zhuǎn)酯作用或酯化反應1-180分鐘(例如，10-90分鐘或20-60分鐘)來獲得所述的第一烷基酯。
在含甘油三酯的油源與第一伯醇或仲醇的轉(zhuǎn)酯作用反應中，產(chǎn)生作為副產(chǎn)物的甘油。出乎意料的是，在通過蒸發(fā)去除第一有機溶劑和未反應的第一伯醇或仲醇之后，可通過相分離容易地從所述第一烷基酯與甘油中獲得所述第一烷基酯。上述的油源也可含有甘油一酯、甘油二酯或羧酸。在與甘油三酯相似的方式下甘油一酯和甘油二酯與所述第一伯醇或仲醇反應。通過酯化反應，所述羧酸與所述第一伯醇或仲醇反應，其中水作為副產(chǎn)物產(chǎn)生并在所述蒸發(fā)過程中可容易地被除去。
在含羧酸的油源與第一伯醇或仲醇的酯化反應中，產(chǎn)生作為副產(chǎn)物的水(但不是甘油)。同樣出人意料的是，通過蒸發(fā)除去所述第一有機溶劑、未反應的第一伯醇或仲醇和水可容易地獲得所述的第一烷基酯。當上述的油源含有顯著含量的甘油三酯、甘油二酯或甘油一酯時，可以前述段落描述的方式獲得所述第一烷基酯。
如果上述獲得的第一烷基酯摻雜有甘油一酯、甘油二酯、甘油三酯或羧酸，能夠通過另一轉(zhuǎn)酯作用或酯化反應與醇進一步反應去除所述的的摻雜物。特別是，所述第一烷基酯能夠在第二有機溶劑中，與第二伯醇或仲醇混合來形成第二溶液。第二有機溶劑的每一分子含有4-8個碳原子和一個雜原子。第二有機溶劑與所述第一有機溶劑可以相同或不同。第二伯醇或仲醇優(yōu)選與所述第一伯醇或仲醇相同。在第二溶液中的所述甘油一酯、甘油二酯、甘油三酯或羧酸隨后可與所述第二伯醇或第二仲醇在第二脂肪酶的存在下反應來生成第二烷基酯。在此反應中，所述第二溶液不進行相分離。所述第二脂肪酶與第一脂肪酶可相同或不同。由此獲得的第一和第二烷基酯可隨后從所述第二溶液中分離。優(yōu)選地，所述第二烷基酯與所述第一烷基酯相同。
以下對處理方法的一些實施例進行描述。
1.2.1實施例1
使用豆油作為油源來制備烷基酯。特別地，將精練的豆油(55.4wt％)與無水甲醇(8.6wt％)和無水t-丁醇(36.0wt％)在第一混合器中混合來形成一相溶液。隨后將所述溶液送至第一反應器，該反應器用NOVOZYM435(a candida antarctica lipase；Novozymes A/S，Bagsvaerd，Denmark)填充。特別地，將NOVOZYM 435固化在載體(大孔樹脂)上并隨后放入所述的反應器中。所述反應器的溫度為45℃。反應時間為62分鐘。反應完成后，將所述溶液返回至真空蒸發(fā)器，隨后至液-液分離器來獲得產(chǎn)物。通過HPLC(柱Luna Su C18(2)250×4.6mm，phenomenex；移動相甲醇、己烷和異丙醇；UV檢測器UV-2075，JASCO，Japan)測定所述產(chǎn)物的組成。出乎意料的是，所獲得的產(chǎn)物含有96.19wt％(重量百分比)的烷基酯，3.59wt％甘油一酯和甘油二酯，以及0.22wt％甘油三酯。
在另一實驗中，利用烷基酯作為共溶劑。特別是，將精練豆油(49.1wt％)與無水甲醇(7.6wt％)、無水t-丁醇(20.5wt％)和無水烷基酯(22.8wt％)在第一混合器中混合來形成一相溶液。除反應進行58.0分鐘完成外，其它反應條件與上述的條件相同。出乎意料的是，獲得的產(chǎn)物含有96.10wt％烷基酯、3.23wt％甘油一酯和甘油二酯，以及0.67wt％甘油三酯。
在又一實驗中，使用t-戊基醇和烷基酯作為溶劑。特別地，將精練豆油(40.8wt％)與無水甲醇(6.3wt％)、無水t-戊基醇(37.3wt％)和烷基酯(15.6wt％)在第一混合器混合來形成一相溶液。除反應進行53.0分鐘完成外，其它反應條件與上述的條件相同。出乎意料的是，獲得的產(chǎn)物含有96.96wt％烷基酯、2.64wt％甘油一酯和甘油二酯，以及0.40wt％甘油三酯。
1.2.2實施例2將從實施例1中獲得的烷基酯與無水甲醇無水t-丁醇在另一混合器中混合來形成一相溶液。由此形成的溶液含有70.00wt％的烷基酯、2.8wt％摻雜物(即，2.47wt％的甘油一酯和甘油二酯，以及0.31wt％甘油三酯)、7.28wt％的甲醇和19.94wt％的t-丁醇。隨后將所述溶液送至另一反應器，該反應器用NOVOZYM 435填充。特別地，將NOVOZYM 435固化在載體上，隨后放入所述反應器中。所述第二反應器的溫度為45℃。所述反應時間為17.5分鐘。完成反應后，將所述溶液返回至另一真空蒸發(fā)器中，然后至另一液-液分離器來獲得產(chǎn)物。通過HPLC測定所述產(chǎn)物的組成。
出乎意料的是，所獲得的產(chǎn)物含有99.24wt％烷基酯、0.65wt％甘油一酯和甘油二酯，以及0.11wt％甘油三酯。
1.2.3實施例3使用非豆油的油源作為起始材料以實施例1所述相同的方式來制備烷基酯。使用的油源包括含有高量自由脂肪酸的廢餐油脂、含低量自由脂肪酸的廢餐油脂、牛羊脂、豬油、魚油、棕櫚油和蓖麻油。在一個實驗中，使用含有高量自由脂肪酸的廢餐油脂。特別地，將含有此種廢餐油脂(49.1wt％)、無水甲醇(7.6wt％)、t-丁醇(20.5wt％)和烷基酯(22.8wt％)的溶液返回至所述含NOVOZYM 435的反應器中。特別地，將NOVOZYM 435固化在載體上并隨后放入所述的反應器中。所述反應器的溫度為45℃。所述反應時間為24.0分鐘。從所述反應器中分離產(chǎn)物并用HPLC測定其組成。出乎意料的是，上述獲得的產(chǎn)物含有96.63wt％烷基酯、3.17wt％甘油一酯和甘油二酯，以及0.20wt％甘油三酯。
在另一實驗中，實驗魚油作為油源。特別地，將魚油(52.4wt％)與無水甲醇(7.8wt％)和無水嘧啶(39.8wt％)在第一混合器中混合來形成一相溶液。除反應進行25.0分鐘完成外，其它反應條件與上述的條件相同。出乎意料的是，獲得的產(chǎn)物含有95.63wt％烷基酯、3.03wt％甘油單酯和甘油二酯，以及1.34wt％甘油三酯。
在又一實驗中，利用棕櫚油(植物油)作為油源。特別地，將植物油(46.5wt％)與無水甲醇(7.5wt％)和無水t-戊基醇(46.0wt％)在第一混合器中混合來形成一相溶液。除反應進行41.0分鐘完成外，其它反應條件與上述的條件相同。出乎意料的是，獲得的產(chǎn)物含有96.97wt％烷基酯、1.95wt％甘油一酯和甘油二酯，以及1.08wt％甘油三酯。
1.2.4實施例4
以實施例1所述相同的方式利用伯醇作為起始材料來制備烷基酯。使用的醇包括甲醇、乙醇、異丁醇、3-甲基-1-丁醇、己醇、辛醇、癸醇和月桂醇。在一個實驗中，用含有魚油(52.0wt％)、乙醇(11.2wt％)和無水t-丁醇(36.8wt％)的溶液返回至所述含有NOVOZYM 435的反應器中。特別地，將NOVOZYM 435固化在載體上并隨后放入所述的反應器中。所述反應器的溫度為45℃。所述反應時間為39.0分鐘。從所述反應器中分離產(chǎn)物并用HPLC測定其組成。出乎意料的是，上述獲得的產(chǎn)物含有97.44wt％烷基酯、1.44wt％甘油一酯和甘油二酯，以及1.11wt％甘油三酯。
在另一實驗中，使用己醇(C6醇)作為起始材料。特別地，將豆油(53.7wt％)與無水己醇(26.6wt％)和無水t-丁醇(19.7wt％)在第一混合器混合來形成一相溶液。除反應進行46.0分鐘完成外，其它反應條件與上述的條件相同。出乎意料的是，獲得的產(chǎn)物含有95.06wt％烷基酯、4.11wt％甘油一酯和甘油二酯，以及0.88wt％甘油三酯。
在又一實驗中，使用月桂醇(C12醇)作為起始材料。特別地，將豆油(37.2wt％)與無水月桂醇(33.6wt％)和無水t-丁醇(29.2wt％)在第一混合器混合來形成一相溶液。除反應進行66.0分鐘完成外，其它反應條件與上述的條件相同。出乎意料的是，獲得的產(chǎn)物含有95.03wt％烷基酯、4.07wt％甘油一酯和甘油二酯，以及0.90wt％甘油三酯。
1.2.5實施例5以實施例1所述相同的方式利用仲醇制備烷基酯。使用的醇包括異丙醇(C3醇)、2-丁醇(C4醇)和仲n-辛基醇(C8醇)。在一個實驗中，用含有油菜籽油(52.9wt％)、異丙醇(14.1wt％)和無水t-戊基醇(33.0wt％)的溶液反應器返回至所述含有NOVOZYM 435的反應器中。特別地，將NOVOZYM 435固化在載體上并隨后放入所述的反應器中。所述反應器的溫度為45℃。所述反應時間為39.0分鐘。從所述反應器中分離產(chǎn)物并用HPLC測定其組成。出乎意料的是，上述獲得的產(chǎn)物含有93.92wt％烷基酯、4.86wt％甘油一酯和甘油二酯，以及1.22wt％甘油三酯。
在另一實驗中，利用2-丁醇作為起始材料。特別地，將豆油(52.5wt％)與無水2-丁醇(18.9wt％)和無水t-戊基醇(28.6wt％)在第一混合器混合來形成一相溶液。除反應進行46.0分鐘完成外，其它反應條件與上述的條件相同。出乎意料的是，獲得的產(chǎn)物含有92.84wt％烷基酯、5.08wt％甘油一酯和甘油二酯，以及2.09wt％甘油三酯。
在又一實驗中，利用仲n-辛基醇作為起始材料。特別地，將豆油(46.4wt％)與無水仲n-辛基醇(29.3wt％)和無水t-丁醇醇(24.3wt％)在第一混合器中混合來形成一相溶液。除反應進行42.0分鐘完成外，其它反應條件與上述的條件相同。出乎意料的是，獲得的產(chǎn)物含有94.69wt％烷基酯、2.45wt％甘油一酯和甘油二酯，以及2.86wt％甘油三酯。
1.2.6實施例6利用月桂酸和甲醇作為起始材料通過與實施例1所述相同方式的酯化反應來制備烷基酯。特別地，將含有無水月桂酸(77.7wt％)、無水甲醇(17.6wt％)和無水t-丁醇(4.7wt％)的溶液返回至所述含有NOVOZYM 435的反應器中。將NOVOZYM 435固化在載體上并隨后放入所述的反應器中。所述反應器的溫度為45℃。所述反應時間為37.0分鐘。從所述反應器中分離產(chǎn)物并用GC(8610C，SRI，USA；柱MXT-65TG，長度30m，I.D.0.25μm；載體氣He，流速1ml/min；注射器分流比值20-1，溫度300℃；檢測器FID，溫度370℃)測定其組成。
出乎意料的是，上述獲得的產(chǎn)物含有96.0wt％的甲基月桂酸酯和4.0wt％的月桂酸。
1.2.7實施例7利用豆油與甲醇作為起始材料，除所述豆油在應用前加熱一段時間外以與實施例1所述相似的方式制備烷基酯。特別地，所述豆油首先在200℃加熱5分鐘或在210℃加熱1小時，并隨后冷卻至所述反應溫度。隨后，將所述豆油(49.1wt％)與無水甲醇(7.6wt％)、無水t-丁醇(20.5wt％)和烷基酯(22.8wt％)在所述混合器中混合來形成一相溶液。隨后將所述送至所述反應器，其用NOVOZYM 435填充。特別地，將NOVOZYM 435固化在載體上并隨后放入所述的反應器中。所述反應器的溫度為45℃。從所述反應器中分離每一產(chǎn)物并用HPLC測定其組成。出乎意料的是，上述獲得的產(chǎn)物含有96.63wt％烷基酯、3.17wt％甘油一酯和甘油二酯，以及0.20wt％甘油三酯。
利用在200℃加入5分鐘和在210℃加熱1小時的豆油，其分別用了50.3分鐘和47.4分鐘來獲得含少于1.5wt％甘油三酯的產(chǎn)物。比較而言，利用沒有預加熱處理的豆油在相似的反應條件下用去了53.8分鐘才能得到相同的結(jié)果。
1.2.8實施例8以實施例1所述相似的方式利用LIPOZYME TL IM(嗜熱真菌脂肪酶，Novozymes A/S，Bagsvaerd，Denmark)作為催化劑來制備烷基酯。特別地，將其固化在顆粒硅載體上，并隨后放入所述反應器中。用含豆油(49.1wt％)、無水甲醇(7.6wt％)、無水t-丁醇(20.5wt％)和烷基酯(22.8wt％)的溶液返回至所述反應器中。所述反應器溫度為45℃。所述反應時間為51.0分鐘。從所述反應器中分離產(chǎn)物并用HPLC測定其組成。
出乎意料的是，上述所獲得的的產(chǎn)物含有94.04wt％烷基酯、3.65wt％甘油一酯和甘油二酯，以及2.31wt％甘油三酯。
2.單級生物柴油燃料生產(chǎn)方法參考圖3，圖2A中所示配置的處理設備100A的一個例子包括眾多用于實施分離器220和230的組件，以及圖2A中未顯示的、用于處理所述回收的由所述分離器產(chǎn)生的輸出和廢物的其它組件。在本例子中，所述反應物130包括醇。
所述反應器140可以是，例如，包括酶催化劑142的栓塞流反應器。對油源110和反應物醇130之間反應的描述可見于本發(fā)明的1.2節(jié)，以及編號為10/945,339的美國專利申請。對流過反應器140的流體流動速度進行控制以達到對所述反應器140特異的滯留時間，使得具有足夠的時間來完成所述反應。所述滯留時間的范圍可以是，例如，從3小時到少于20分鐘。部分的基于所述油源、反應物和催化劑的類型，反應器140的溫度被維持在預設值，該數(shù)值的范圍可介于，例如，20℃到95℃之間。
反應器140輸出了的粗產(chǎn)物103，其包括烷基酯、甘油以及諸如從所述油源和反應物130之間反應產(chǎn)生的未完全反應油的雜質(zhì)。未完全反應油的例子包括甘油單酯和甘油二酯。
所述處理設備100A包括在所述粗產(chǎn)物103中將所述成分分離成，例如，粗甘油168和包括未反應油110、惰性溶劑120以及未反應反應物130的粗生物柴油150的分離模塊220。分離模塊220包括真空蒸發(fā)器，例如轉(zhuǎn)膜式蒸發(fā)器324，由德國Deggendorf的Verfahrens TechnischeAulagen GMBH制造的VD型模型，或與填充床蒸發(fā)器整合的簡單閃蒸罐。所述轉(zhuǎn)膜式蒸發(fā)器324通過使用薄膜蒸發(fā)在所述粗產(chǎn)物103中分離多種組分。所述轉(zhuǎn)膜式蒸發(fā)器324包括具有大表面面積的薄膜，以使得所述惰性溶劑120、未反應醇130和水可以更快的速率蒸發(fā)。諸如未反應醇130、水蒸氣、惰性溶劑和其它雜質(zhì)的具有較低沸點的組分，在所述溶劑回收單元328中被閃蒸、冷凝和收集，這一過程對所述惰性溶劑120、未反應醇130、水和其它雜質(zhì)進行了分離。所述惰性溶劑120和未反應醇130可以再循環(huán)并與作為反應器140的輸入部分的新鮮的溶劑120、新鮮的油源110以及新鮮的反應醇130混合。所述水蒸氣和其它雜質(zhì)被送到催化劑轉(zhuǎn)換器362，將所述雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為，例如，二氧化碳。所述水蒸氣和二氧化碳通過出口(未顯示)進行排放。
源自所述轉(zhuǎn)膜蒸發(fā)器324的殘留物中包括被送入第一凝聚過濾器和分離器336的甘油、烷基酯、未反應油和未完全反應油。所述凝聚過濾器將所述甘油液滴冷凝成液態(tài)形式。在所述溶液在所述分離器中靜止一段時間之后，所述生物柴油和甘油將被分離，形成上層的生物柴油和下層的甘油。
下層的甘油相當于粗甘油168，其包括諸如水、惰性溶劑和未反應醇的雜質(zhì)。所述粗甘油168被送入粗甘油蒸發(fā)器338。所述蒸發(fā)器338的例子是短程蒸發(fā)器，諸如由VTA GMBH制造的VK型模型，或填充床蒸發(fā)器連接的簡單閃蒸罐。所述蒸發(fā)器338通過蒸發(fā)從雜質(zhì)中分離所述甘油進行操作，并且輸出所述“純”甘油114。作為例子，所述純甘油114的純度可達到至少99％重量比。
上層的生物柴油相當于粗生物柴油225，因為它包括諸如未完全反應油、未反應油以及痕量甘油的雜質(zhì)。一部分粗生物柴油225被回收并輸送回反應器140。如上所述，回收粗生物柴油225可以降低溶解所述油源和反應物醇所需惰性溶劑的量，除此之外還提高了反應完成的優(yōu)越性。
未再循環(huán)的所述粗生物柴油部分被送到終分離器230中，所述終分離器包括從所述雜質(zhì)中分離生物柴油來生產(chǎn)純生物柴油150的短程蒸發(fā)器344。
所述短程蒸發(fā)器344向第二凝聚過濾器和分離器354或可再生的離子交換樹脂床(栓塞流床)輸出未完全反應的油、未反應油和甘油，其從所述其它組分中分離或去除所述甘油。所述凝聚過濾器和分離器354向所述粗甘油蒸發(fā)器328輸出粗甘油156，所述粗甘油蒸發(fā)器對粗甘油156進行處理以產(chǎn)生純甘油114。所述凝聚過濾器和分離器354輸出未完全反應的和未反應的油，這些油，可任意地進行再循環(huán)并輸送回反應器140。
3.單級系統(tǒng)的詳細設計參照圖4，以下對圖2A中所示配置的設備110A的另一個例子進行詳細描述。
參照圖4，所述設備110A包括儲存所述油源110的油桶(D-1)。所述惰性溶劑120儲存在溶劑桶中，該溶劑桶接受新鮮惰性溶劑、來自于所述設備內(nèi)溶劑回收單元的再循環(huán)的惰性溶劑、以及氮氣。氮氣屏蔽了濕氣與氧氣和所述溶劑的接觸。反應物醇130儲存在反應物醇桶中，該反應物醇桶接受新鮮反應物醇、再循環(huán)的反應物醇、以及氮氣。
使用一些列組件將油源110、惰性溶劑120和反應物醇130進行混合。雙頭計量泵(P-1)430以固定速率沿著路徑432向脫水床(RB-1)436泵入所述油源110，所述脫水床可以是，例如，填充有直接從所述油源去除痕量水的超級吸收劑多聚物的填充床。在水被去除之后，所述油源通過管道440向包括靜態(tài)混合器(SM-1)438的混合器210輸送。與此同時，雙頭計量泵(P-2)424以某一速率向所述靜態(tài)混合器438泵入所述反應物和惰性溶劑，使得所述油源的速率與所述反應物醇及惰性溶劑的比值維持在某一預定數(shù)值。泵430還通過管道476向靜態(tài)混合器438以預定的再循環(huán)粗生物柴油與油源相比的速率泵入回收粗生物柴油225。
所述靜態(tài)混合器438可以是，例如，諸如編號為3,286,992的美國專利中所描述的多元靜態(tài)混合器，或者是諸如可從瑞士Sulzer Chemtech公司獲得的Sulzer Compact Static Mixer的小型混合器。靜態(tài)混合器不含有移動部件且不采用外力對所述溶液進行混合。靜態(tài)混合器438使得所述反應物、惰性溶劑、油源和再循環(huán)的粗生物柴油得以徹底混合進而形成均一的溶液。
包括熱交換器(HE-1)448和藥筒型反應器(R-1)404的反應器140從混合器210接受所述輸出。特別地，靜態(tài)混合器438的輸出被送往熱交換器(HE-1)448，該熱交換器通過采用諸如冷卻水、熱油、蒸汽或電加熱器或冷卻器對所述混合溶液的溫度進行調(diào)節(jié)。熱交換器448可以具有例如，雙管設計。所述溶液隨后進入填充有酶催化劑142在本例中為脂肪酶的反應器的延長藥筒404中。所述反應溫度可在0℃到95℃范圍，優(yōu)選為室溫(例如25℃)。
可以采用藥筒404的多種替換形式。例如，所述藥筒404可以是在其底部具有格柵支持的柱狀體。在所述藥筒的底部具有篩網(wǎng)以將所述酶催化劑142保持在所述藥筒內(nèi)，在所述藥筒的頂部具有另一篩網(wǎng)以平齊于所述藥筒中的溶液流。所述藥筒在所述兩個篩網(wǎng)之間充滿了所述催化劑。所述經(jīng)過溫度調(diào)節(jié)混合的溶液通過在所述藥筒頂部的一個開口進入到藥筒404中，并向下流經(jīng)酶催化劑142。所述酶催化劑促進了所述反應物醇和包括甘油三酯的油源之間的反應，產(chǎn)生出烷基酯、甘油和水(和/或其它雜質(zhì))。
所述反應器140輸出的粗產(chǎn)物中包括烷基酯、甘油、未反應油(甘油三酯)、未完全反應油(甘油單酯和甘油二酯)、未反應醇、惰性溶劑和其它雜質(zhì)。如上述對圖3的描述，反應器140的粗輸出被傳送到包括蒸發(fā)器324和凝聚過濾器和分離器336的分離器220。在圖4中，參考數(shù)字336A指出了凝聚過濾器和分離器336的特別設計，其中孔徑為1到5μm的濾膜被用于甘油液滴的凝聚。
在圖4所示的裝置110A中，蒸發(fā)器324包括壓力調(diào)節(jié)器(PR)452、預熱器(HE-2)448以及整合有填充床設計(E-1)451的簡單閃蒸罐的蒸發(fā)器。預熱器448可以用來例如，加熱油或蒸汽來預熱所述粗產(chǎn)物。所述蒸發(fā)器451可以使用在所述夾套內(nèi)區(qū)域的作為加熱介質(zhì)的加熱油或水蒸氣。在所述蒸發(fā)器451內(nèi)，惰性溶劑、水和未反應醇被蒸發(fā)并通過上部開口的離開蒸發(fā)器451。所述惰性溶劑、水和未反應醇在所述溶劑回收單元328中被冷凝和收集(未在圖4中顯示)，并可被再循環(huán)。
在溶劑回收單元中所述凝集液體的組成可以包括未反應醇、惰性溶劑、水和生物柴油的痕量成分。兩個簡單的柱可以用來分離所述未反應醇、惰性溶劑和水。在一個例子中，第一個柱可以用來從所述未反應醇和水中分離惰性溶劑。包括痕量生物柴油的所述惰性溶劑，如果有的話，從所述第一個柱的底部排出，這些溶劑被再循環(huán)到所述惰性溶劑桶中。
在所述溶劑回收單元，所述未反應醇和水從所述第一個柱的頂部排出并被傳送到第二個柱，在那里所述未反應醇被收集到頂部回流桶中并被再循環(huán)到所述反應物醇桶中。在所述第二個柱底部的殘留物包括大部分水和少量未反應醇和惰性溶劑。所述少量未反應醇和惰性溶劑可以通過催化劑轉(zhuǎn)化器進行蒸發(fā)并完全燃燒。兩個簡單的柱都可以在環(huán)境壓力下自動操作?？偟膩碚f，采用了依賴于使用的醇和惰性溶劑的溶劑回收的設計，也可以采用不同的回收途徑。
繼續(xù)參照于圖4，具有更高沸點蒸發(fā)器451的組分被通過齒輪泵(p-6)泵入凝聚過濾器(CL-1)，且所述甘油液滴凝結(jié)進了可簡便從所述粗生物柴油分離的大液滴中。在液-液相分離器(S-2)456中形成了兩種液體。粗生物柴油被通過冷凝器(HE-3)458和填充有可再生離子交換樹脂的痕量甘油去除床(RB-3)461進行傳送。痕量甘油去除床461的輸出被分為流476和478。其中一種流476被再循環(huán)到靜態(tài)混合器438中，另一流478被傳送到短程蒸發(fā)器(E-2)424中。
粗生物柴油可以包括至少95％重量比的烷基酯，從分離器456中流出，并被冷卻器(HE-3)458所冷卻。在所述冷卻器中，采用冷卻水來冷卻所述粗生物柴油。
一部分粗生物柴油被通過回流管476進行再循環(huán)。所述再循環(huán)的粗生物柴油流過可在粗生物柴油和純生物柴油間轉(zhuǎn)換的三通電磁閥478。如上所述，泵430將所述再循環(huán)的生物柴油泵向靜態(tài)混合器438。
未再循環(huán)的粗生物柴油部分被傳送到短程蒸發(fā)器344(如圖3所示最終分離器230的部分)。短程蒸發(fā)器344包括熱交換器(HE-4)486、壓力調(diào)節(jié)器452和短程蒸發(fā)器(E-2)424。短程蒸發(fā)器424從所述甘油、未反應油和其它雜質(zhì)中分離所述生物柴油。高純度的生物柴油通過路徑426流出蒸發(fā)器424。
所述蒸發(fā)器424通過路徑433向罐(S-4)472輸出摻雜有痕量甘油的未反應油。通過齒輪泵(P-8)473使所述未反應油通過冷卻器(HE-6)475。根據(jù)所述未反應油和/或所述油中雜質(zhì)的量，所述未反應油可被傳送到廢油處置桶，或傳送通過甘油去除床(RB-2)444以去除任何殘留的甘油并再循環(huán)到油桶D-1中。甘油去除床444可以是例如，填充有可從所述溶液中去除痕量甘油樹脂的填充床。
在液-液相分離器(S-2)456和桶474之間放置有一個雙重力放泄彎管(drain trap)(DN-1)457以自動地排出所述甘油。一個彎管457的例子由美國MI州的Armstrong公司提供。作為選擇，如果因為所述甘油的量太少而不能使用所述放泄彎管，則可以使用連接了所述罐底部電磁閥為了排除甘油的有高水平開關和低水平開關的小罐。
在罐474中的粗甘油可以通過真空蒸發(fā)器(圖4未顯示)來去除水、未反應醇和惰性溶劑以進行提純。使用上述蒸發(fā)器E-1(和E-2)的濃縮液體罐對所述蒸發(fā)的蒸汽進行冷凝和結(jié)塊。離開所述粗甘油蒸發(fā)器的殘留物是適用于商業(yè)用途的純甘油產(chǎn)物。
來自于所述短程蒸發(fā)器424的高純度生物柴油被泵過用冷凝水冷卻所述高純度生物柴油的熱交換器(HE-5)408。最終的純生物柴油產(chǎn)物可以包括至少99％重量比的烷基酯。純生物柴油產(chǎn)物被儲存在純生物柴油產(chǎn)物罐(D-5)中。在所述處理設備的起始階段，當所述粗生物柴油不可獲得時，所述純生物柴油可以通過回流路徑再循環(huán)到反應器140的混合器210中。所述回流路徑與電磁閥478相連，以使得當需要應用純生物柴油時，所述再循環(huán)的純生物柴油可以被切斷。
4.單級系統(tǒng)的備擇設計圖5所述為使用底部產(chǎn)物排放設計的單級反應器的備擇設計。在真空和大氣之間轉(zhuǎn)換的兩個液體罐(S-1)556和(S-2)566被用于從連接于所述蒸發(fā)器的罐455中排出液體。液體檢測器(未顯示)被用于在桶556和566中對排出液體的轉(zhuǎn)換操作進行自動控制。使用二通電磁閥558和560、以及三相電磁閥568來調(diào)節(jié)從所述罐454到罐556和566的液流。閥560調(diào)節(jié)來自于罐556底部的液流。在起始階段，閥560關閉而閥558打開。對三通電磁閥568進行配置以使得所述罐556的頂部開口與真空泵(未顯示)相連。所述溶液通過重力從所述罐454流到所述罐556。
當罐556中具有預設量的溶液后，閥558關閉。閥560打開，對三通電磁閥568進行選擇以使得空氣可以穿過硅膠(或樹脂)570并且進入罐556的頂部開口。所述硅膠或樹脂570去除了進入到罐556中空氣的濕氣。
由于重力的作用，罐556中的溶液會流到罐566中。當流出罐556中的所述溶液達到預設水平時，閥560關閉，閥568轉(zhuǎn)換且閥558重新打開。
泵562將所述溶液連續(xù)地泵入凝聚過濾器(CL-1)454，在那里所述甘油液滴被凝結(jié)成大液滴并從所述粗生物柴油中分離出來。泵562的功能類似于圖4中所示齒輪泵467的作用。其區(qū)別在于，對泵562來說，所述吸入壓力來自于空氣壓力而不是在齒輪泵467情況中的高真空狀態(tài)。這為泵的選擇提供了更大的靈活性，使得更容易找到合適的泵。
所述下游操作類似于圖4種給出的情況?？梢詰盟龆坛陶舭l(fā)器(E-2)424底部流的類似設計。
5.二級設備參照圖6，以下對圖2B中所示的二級處理設備110B的配置的一個例子進行詳細描述。圖2B中的最終分離器230在圖6中省略。
圖6中所述處理設備110B的第一部分包括第一反應器140、第一蒸發(fā)器324、第一凝聚過濾器及分離器336B，其與圖5中對應元件操作類似的。與圖5中使用的短程蒸發(fā)器344不同，圖6中所述處理設備110B使用了第二反應器140、第二蒸發(fā)器324、第二凝聚過濾器及分離器336B。第二反應器140可與第一反應器140相類似，其包括諸如脂肪酶的酶催化劑。所述第一和第二反應器140可使用相同或不同的酶催化劑。
離開除甘油床RB-2的所述粗生物柴油，去除了源于所述粗生物柴油的甘油，沿著導管288向第二靜態(tài)混合器(SM-2)210遷移，與第一反應器140的第一靜態(tài)混合器210相類似。與此同時，雙頭計量泵(P-4)292以某一速率向所述第二靜態(tài)混合器(SM-2)210泵入所述反應物醇130和惰性溶劑120，使得預定比率的所述反應物醇130和惰性溶劑120與所述粗生物柴油在進入靜態(tài)混合器(SM-2)210之前的位置290混合。靜態(tài)混合器(SM-2)210的輸出被傳送到第二反應器140。
在所述第二反應器140中，所述反應物醇、未反應油和未完全反應油反應產(chǎn)生更多的烷基酯，使得在第二反應器140的輸出中殘留有更少的未反應油和未完全反應油。
第二凝聚過濾器和分離器336B的輸出包括更高純度的生物柴油，其包括更高百分含量(例如，超過99％重量比的)的烷基酯?？赡芎泻哿扛视偷母呒兌鹊纳锊裼褪紫仍诶鋮s器(HE-5)488中冷卻，然后流經(jīng)樹脂床(RB-3)489。所述樹脂床(RB-3)填充有樹脂以去除痕量甘油。
可能包括，例如，99％重量比的烷基酯的所述終產(chǎn)物-高純度生物柴油150被傳送到高純度產(chǎn)物罐(D-5)中。所述罐(D-5)中的高純度生物柴油可在起始階段進行再循環(huán)或提供給使用者。
在一些例子中，處理設備100A(圖4和圖5)和100B(圖6)的操作條件如下。所述第一反應器404在0℃到95℃范圍進行操作，其中滯留時間從1到180分鐘。所述第一蒸發(fā)器451在低于120℃的溫度和低于100mmHg的條件下操作。所述去除床436、444和461可在20℃到80℃范圍進行操作，優(yōu)選為接近室溫的范圍(例如25℃)。凝聚過濾器454和456可在20℃到80℃范圍進行操作。
6.示例性的操作條件6.1實施例1以下是上述二級處理設備操作條件的一個實施例，其中粗生物柴油被再循環(huán)到所述第一反應器的入口。使用薄膜式蒸發(fā)器，而沒有采用短程蒸發(fā)器。從當?shù)爻壥袌鲑徺I的精煉大豆油被作為所述處理設備的原料。所述精煉大豆油中的水含量約為200ppm到300ppm。純的無水甲醇被用作反應物醇。純的無水t-戊醇被用為惰性溶劑。所述第一反應器(R-1)包括填有脂肪酶的填充床，其中所述脂肪酶是來自于Novozyme公司的TL IM。在所述第一反應器中溶液的滯留時間是50分鐘，反應溫度為25℃。所述第二反應器是填有脂肪酶的填充床，其中所述脂肪酶是來自于Novozyme公司的Novo 435。在所述第二反應器中溶液的滯留時間是115分鐘，反應溫度為25℃。所述蒸發(fā)器轉(zhuǎn)膜式蒸發(fā)器，操作條件是溫度為110℃、壓力為1.0mmHg abs.、以及轉(zhuǎn)速為250轉(zhuǎn)/分鐘。所述終產(chǎn)物包括99.10wt％的生物柴油、0.62wt％的甘油一酯、0.22wt％的甘油二酯、0.066wt％的甘油三酯以及酸值為0.630mg KOH/g。
6.2實施例2以下是上述一級處理設備操作條件的一個實施例，其中粗生物柴油被再循環(huán)到所述反應器的入口。使用了兩種選擇性的蒸發(fā)器設計，(1)與填充床蒸發(fā)器整合的簡單閃蒸罐；(2)薄膜式蒸發(fā)器。所述終產(chǎn)物由短程蒸發(fā)器處理。所述原料是水分為200-300ppm的精煉新鮮豆油。所述第一反應器(R-1)是填有脂肪酶的填充床。所述所述脂肪酶是TL IM(Novozyme公司)，滯留時間是53分鐘，反應溫度為25℃。當使用與填充床整合的簡單閃蒸罐蒸發(fā)器時，所述操作溫度為120℃，壓力為5torr(托)abs。當采用預先不具有閃蒸罐的薄層蒸發(fā)器時，所述操作溫度為120℃，壓力為1torr abs、轉(zhuǎn)速為250轉(zhuǎn)/分鐘。所述終分離器采用了短程蒸發(fā)器(E-2)，其中所述操作為120℃、壓力為0.05torr abs、轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分鐘。所得到的所述終產(chǎn)物包括99.81wt％的生物柴油、0.13wt％的甘油一酯、0.06wt％的甘油二酯、不可檢出量的甘油三酯以及酸值為0.770mg KOH/g。
6.3實施例3以下是上述一級處理設備操作條件的一個實施例，其中所述粗生物柴油沒有被再循環(huán)。所述原料是水分為200-300ppm的精煉新鮮豆油。所述反應器(R-1)是填有脂肪酶的填充床。所述脂肪酶是TL IM(Novozyme公司)，滯留時間是66.6分鐘，反應溫度為25℃。所述蒸發(fā)器(E-1)是與填充床整合的簡單閃蒸罐，操作溫度為120℃，壓力為5torr abs。所得到的終產(chǎn)物包括86.55wt％的生物柴油、6.52wt％的甘油單酯、5.24wt％的甘油二酯和1.69wt％的甘油三酯。
6.4實施例4來自于典型的膜型凝聚過濾器(孔徑為1-5μm)的所述粗生物柴油產(chǎn)物在液-液分離后可能具有1,000-1,500ppm含量的甘油。所述粗生物柴油可以流經(jīng)深度為90cm的樹脂床，其中在所述床中流體的滯留時間約為25分鐘。在所述流出物中的甘油終濃度可小于15ppm。所使用的樹脂是一種離子交換樹脂，來自于德國Bayer Company的MonoPlus SP112。所述飽和床可通過甲醇、乙醇或等同材料再生。
7.催化劑藥筒第一和第二反應器140可以使用填充有酶催化劑的可移去式藥筒，以使得在長時間使用后當催化劑變得無效時用新藥筒替換所述舊藥筒。對第一和第二反應器140進行配置以使其可以接收多種例如來自于不同銷售商或具有不同催化劑種類的可移去式藥筒?？梢詫⑻幚碓O備100A到100D設計成具有連接機制，其可與所述藥筒相配，使得所述藥筒可以簡單地移走和安裝?？梢允褂貌煌N類的酶催化劑，每一種催化劑都與諸如不同流速和操作溫度的操作條件組合相關。所述生物柴油燃料生產(chǎn)系統(tǒng)可以基于所使用的特定酶催化劑種類來調(diào)節(jié)的操作條件。
如圖7所示，生物柴油燃料生產(chǎn)系統(tǒng)702包括每一個都具有填充有酶催化劑藥筒706的反應器704。藥筒706包括諸如條形碼或無線電頻率識別標簽(RFID)的標識符708，其可以鑒別藥筒706中的酶催化劑。閱讀器710(例如，條形碼或RFID閱讀器)解讀標識符708，并將識別信息發(fā)送到數(shù)據(jù)處理器712?；谒鲎R別信息，所述數(shù)據(jù)處理器712從數(shù)據(jù)庫714找到預存儲的操作信息，并使用該操作信息來控制流動控制亞系統(tǒng)716和溫度控制亞系統(tǒng)718。
所述流動控制亞系統(tǒng)716包括，例如，確定流經(jīng)所述反應器的油源和反應物醇流動速度的泵。在一些例子中，標識符708可與需要短滯留時間的酶催化劑相關聯(lián)，以使得所述數(shù)據(jù)處理器712可以通過控制流動控制亞系統(tǒng)716來加快泵過反應器704的溶液。在一些實施例中，標識符708可與需要較長滯留時間的酶催化劑相關聯(lián)，以使得所述數(shù)據(jù)處理器712可以通過控制流動控制亞系統(tǒng)716來減慢泵過所述反應器704的溶液。在一些例子中，標識符708可與需要較高反應溫度的酶催化劑相關聯(lián)，以使得所述數(shù)據(jù)處理器712可以通過控制溫度控制亞系統(tǒng)718來以較高值設置所述反應器溫度或加熱器溫度。在一些例子中，標識符708可與需要較低反應溫度的酶催化劑相關聯(lián)，以使得所述數(shù)據(jù)處理器712可以通過控制溫度控制亞系統(tǒng)718來以較低值設置所述反應器溫度或加熱器溫度。
在一些例子中，標識符708可與提供何時需要對所述藥筒706進行更換估計的預存信息相連。所述預存信息可以提示在一定量溶液流過所述藥筒706后，所述藥筒706需要更換。基于所述系統(tǒng)中的流量計(未顯示)，所述數(shù)據(jù)處理器712確定了流過所述藥筒706的溶液的體積。當所述體積超過某一極限時，數(shù)據(jù)處理器712為使用者顯示出說明所述藥筒需要更換的信息。
8.應用如圖8所示，發(fā)電機800包括接受油源804和反應物醇805的處理設備802，并產(chǎn)生生物柴油806。所述生物柴油806被送到從生物柴油806產(chǎn)生電810的生物柴油發(fā)電機808。一部分所述電通過路徑812被送到所述處理設備802，并用來為所述處理設備的多個電元件提供能量。
所述系統(tǒng)802可以是上述的任意處理設備。
發(fā)電機800的優(yōu)點在于所述系統(tǒng)可以比使用基于石油的柴油燃料的電力發(fā)電機具有更少的污染來發(fā)電。如果所述油源包括甘油三酯，所述發(fā)電機800就產(chǎn)生甘油、水和二氧化碳的副產(chǎn)物。如果所述油源包括羧酸，所述發(fā)電機800就只產(chǎn)生水和二氧化碳的副產(chǎn)物。
如圖9所示，交通工具820包括接受油源804和反應物醇805的處理設備802，并產(chǎn)生生物柴油806。所述生物柴油806被送到柴油機814，將所述生物柴油轉(zhuǎn)化成為動能并傳到傳送系統(tǒng)816進而將所述動能傳遞到賦予所述交通工具820動力的輪子或推進器。所述交通工具820可以包括將所述動能從柴油機轉(zhuǎn)化成電能的電力發(fā)電機(未顯示)。所述電可以用來為所述交通工具820的多個電元件供能。
所述處理設備802可以是上述任意的處理設備。所述交通工具820可以是，例如，小汽車、卡車、火車、輪船或飛機。
如圖10所示，建筑物830，例如餐廳，包括接收處理食物的烹調(diào)油832的食品處理單元834(例如廚房)。通過食物處理單元834產(chǎn)生的再循環(huán)油836被送至處理設備802，該處理設備也接受反應物醇805和輸出生物柴油806。柴油電力發(fā)電機808接受所述生物柴油并發(fā)電，所發(fā)的電可用來為所述食品處理單元834和所述處理設備的多個電元件供能。
9.備選方案應當理解，以上描述旨在說明而并非限制本發(fā)明的范圍，所附權力要求對本發(fā)明范圍進行定義。其它的實施方案也落在所附權力要求范圍之內(nèi)。例如，所述雙頭泵可以被兩個獨立的泵所替代。所述靜態(tài)混合器可被激動混合罐或定量性靜態(tài)混合器所替代。對小規(guī)模的生物柴油生產(chǎn)而言，可以在每一個混合點使用定量性小型靜態(tài)混合器。如果所述油源包括較高百分比例如超過2,000ppm的水，所述脫水床可以用熱空氣剝離設備來進行替代。所述水可以用剝離設備來去除，所述油在被送至反應器之前被冷卻。在一些例子中，當是可以動物脂肪或高熔點的植物油作為回流時，所述動物脂肪或油首先被溶解在所述惰性溶劑中。
如果所述油源包括羧酸，羧酸和反應物醇之間的反應可以生成烷基酯，以及副產(chǎn)物水。在這種情況下不會產(chǎn)生甘油。因為沒有甘油，可以通過對所述溶劑、未反應醇和水的蒸發(fā)來達到對所述烷基酯的純化。當所述油源中包括羧酸時，并不需要使用所述分離器來從所述甘油中分離生物柴油，或使用去除床來去除甘油。
在一些例子中，所述生物柴油可以用作內(nèi)燃柴油機或空氣渦輪柴油機的燃料。
在一些例子中，填充有酶催化劑的藥筒被用在小單位處理設備的反應器中。對于大型商業(yè)單位而言，所述脂肪酶的在線上料和卸料都可以容納在所述系統(tǒng)設計中。
在一些例子中，所述蒸發(fā)器E-1(圖4-圖6)可以是與填充床設計整合或不整合的簡單閃蒸罐。在其它例子中，當采用更高濃度的醇(反應物醇或惰性溶劑)時，可以使用薄層式蒸發(fā)器。
在一些例子中，對小規(guī)模系統(tǒng)來說，相同處理設備中的所述冷卻器(HE-1，HE-3，HE-5和HE-6)可以合并成一個單元。在一些例子中，所述冷卻器是分離的，但被平行放置于盒中，并對所述冷卻介質(zhì)、如冷卻水具有相同的入口和出口。在一些例子中，所述冷卻器被設計成使用一個風扇同時冷卻所有物流的空氣冷卻器。
在一些例子中，短程蒸發(fā)器可以使用與蒸發(fā)器E-1入口類似的閃蒸罐入口。這種設計可以降低所述短程單元內(nèi)的冷凝器負載，這意味著可以在入口獲得更高的速率。還可以采用外部冷凝器來對離開所述閃蒸罐的蒸汽進行冷凝。冷凝物被堆積成所述短程單元中的蒸餾物產(chǎn)物。
除甘油床的再生可以是在線處理的(諸如當對大系統(tǒng)使用平行設計時)或離線處理的(諸如當對小單元使用藥筒式設計時)。
在停工期間，所述整個燃料生產(chǎn)系統(tǒng)可以用氮氣來充溢從而屏蔽了濕氣和空氣(以減少對所述生物柴油或油源的酸化)。
在一些例子中，所述去除甘油樹脂可以是離子交換樹脂，諸如來自于德國Bayer Company的MonoPlus SP112。
所述靜態(tài)混合器可以用通過液面控制調(diào)解輸出率的激動混合器(罐)來替代。
權利要求
1.包括第一反應器和回流機制的裝置，其中所述第一反應器具有，入口，所述入口接收包含第一反應物、第二反應物、反應產(chǎn)物和用于溶解至少部分所述第一反應物和第二反應物的惰性溶劑的混合物，酶，所述酶用于促進所述第一反應物和第二反應物之間的反應以產(chǎn)生更多反應產(chǎn)物，及出口，所述出口將反應產(chǎn)物輸出，其包括所述入口接收的反應產(chǎn)物和由所述第一反應物和第二反應物之間的反應生成的反應產(chǎn)物；且所述回流機制將來自所述出口的反應產(chǎn)物的至少部分送回所述入口。
2.如權利要求1所述的裝置，其中所述反應產(chǎn)物包括烷基酯。
3.如權利要求2所述的裝置，其中所述回流機制將至少部分所述烷基酯送回所述入口。
4.如權利要求2所述的裝置，其中所述混合物包含用于溶解至少部分所述第一反應物、第二反應物和反應產(chǎn)物的溶劑。
5.如權利要求4所述的裝置，其中所述出口至少輸出所述烷基酯、所述溶劑和未反應的第一反應物。
6.如權利要求5所述的裝置，還包括蒸發(fā)器，以將所述溶劑蒸發(fā)，產(chǎn)生包含所述烷基酯和所述未反應的第一反應物的混合物。
7.如權利要求5所述的裝置，其中所述出口還輸出甘油。
8.如權利要求7所述的裝置，還包括蒸發(fā)器，以將所述溶劑蒸發(fā)，產(chǎn)生包含所述烷基酯、甘油和所述未反應的第一反應物的混合物。
9.如權利要求8所述的裝置，還包括相分離裝置，以根據(jù)液液相分離將所述烷基酯與甘油分離。
10.如權利要求1所述的裝置，其中所述第一反應物包括甘油三酯。
11.如權利要求1所述的裝置，其中所述第一反應物包括羧酸。
12.如權利要求1所述的裝置，其中所述第二反應物包括伯醇或仲醇中至少一種。
13.如權利要求1所述的裝置，其中第一反應物包括植物油和動物脂肪中至少一種。
14.如權利要求13所述的裝置，其中所述反應產(chǎn)物具有適合用作燃料的組成。
15.如權利要求1所述的裝置，還包括具有入口、酶和出口的第二反應器，其中所述入口接收另外的第二反應物和來自所述第一反應器出口的反應產(chǎn)物；所述酶用于促進所述第二反應物和其它組分之間的反應以產(chǎn)生更多的反應產(chǎn)物；及所述出口將反應產(chǎn)物輸出，其包括所述第二反應器入口接收的反應產(chǎn)物和由所述第二反應物和其它組分之間的反應生成的反應產(chǎn)物。
16.如權利要求15所述的裝置，還包括蒸發(fā)器，以將未反應的第一反應物和未反應的第二反應物中至少一個及所述惰性溶劑蒸發(fā)。
17.如權利要求16所述的裝置，還包括短程蒸發(fā)器，以將所述反應產(chǎn)物與殘余的未反應的反應物分離。
18.如權利要求17所述的裝置，其中所述反應產(chǎn)物包括烷基酯。
19.如權利要求18所述的裝置，還包括回流機制，所述回流機制將至少部分來自所述第二反應器出口的烷基酯送回所述第一反應器的入口。
20.包括反應器的裝置，其中所述反應器具有接收包含反應物的混合物的入口，促進所述反應物間的反應的酶，以及將至少部分所述反應產(chǎn)物送回所述入口的回流機制。
21.如權利要求20所述的裝置，其中所述反應產(chǎn)物包括烷基酯，且所述回流機制將至少部分所述烷基酯送回所述入口。
22.如權利要求20所述的裝置，其中所述反應物包括(1)甘油三酯和羧酸中至少一個，及(2)伯醇和仲醇中至少一個。
23.如權利要求20所述的裝置，其中所述酶包括脂肪酶。
24.產(chǎn)生烷基酯的系統(tǒng)，包括包括第一反應器的第一子系統(tǒng)，所述第一反應器具有第一入口，所述第一入口接收包含第一反應物、第二反應物和用于溶解所述第一反應物和第二反應物的第一惰性溶劑的第一混合物，第一酶，所述第一酶用于促進所述第一反應物和第二反應物之間的反應以產(chǎn)生反應產(chǎn)物，及第一出口，所述第一出口輸出所述反應產(chǎn)物、惰性溶劑和其它組分；包括第二反應器的第二子系統(tǒng)，所述第二反應器具有第二入口，所述第二入口接收包含另外的第二反應物、惰性溶劑、來自所述第一出口的反應產(chǎn)物和其它組分的至少部分的第二混合物，第二酶，所述第二酶用于促進所述第二反應物和其它組分之間的反應以產(chǎn)生更多的反應產(chǎn)物，及第二出口，所述第二出口輸出反應產(chǎn)物，其包括所述第二入口接收的反應產(chǎn)物和由所述第二反應物與其它組分之間的反應產(chǎn)生的反應產(chǎn)物。
25.如權利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述反應產(chǎn)物包括烷基酯。
26.如權利要求25所述的系統(tǒng)，還包括用于將來自所述第一出口的烷基酯的至少部分送回所述第一入口的回流機制。
27.如權利要求25所述的系統(tǒng)，還包括用于將來自所述第二出口的烷基酯的至少部分送回所述第一入口的回流機制。
28.如權利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述第二子系統(tǒng)包括分離器，所述分離器用于從所述第二出口輸出的第一溶液中去除不同于烷基酯的組分的至少部分，以獲得含有至少90％重量比的烷基酯的第二溶液。
29.如權利要求28所述的系統(tǒng)，其中所述分離器包括蒸發(fā)器。
30.如權利要求28所述的系統(tǒng)，其中所述分離器包括液液分離器。
31.如權利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述第一子系統(tǒng)包括分離器，所述分離器用于從所述第一出口輸出的第一溶液中去除不同于烷基酯的組分的至少部分，以獲得烷基酯濃度高于所述第一溶液的第二溶液。
32.如權利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述分離器包括蒸發(fā)器。
33.如權利要求32所述的系統(tǒng)，其中所述分離器包括液液分離器。
34.包括反應器、分離器單元和回流機制的裝置，其中所述反應器具有用于傳輸包含第一反應物、第二反應物、惰性溶劑和反應產(chǎn)物的均勻狀態(tài)的混合物的管路，接收藥筒的連接器，所述藥筒具有，用于從所述管路接收所述混合物的入口，用于促進所述第一反應物和第二反應物之間的反應以產(chǎn)生更多的反應產(chǎn)物的酶，及輸出所述反應產(chǎn)物的出口，其包括所述入口接收的反應產(chǎn)物和由所述第一反應物和第二反應物之間的反應產(chǎn)生的反應產(chǎn)物；所述分離器單元對所述出口的輸出進行處理，產(chǎn)生具有較高百分比的反應產(chǎn)物的溶液；且所述回流機制將至少部分所述溶液送回所述管路。
35.用于產(chǎn)生烷基酯的系統(tǒng)，包括包括第一反應器的第一子系統(tǒng)，所述第一反應器具有用于傳輸包含第一反應物、第二反應物、惰性溶劑和烷基酯的均勻狀態(tài)的第一混合物的第一管路，接收第一藥筒的第一連接器，所述第一藥筒具有，用于從所述第一管路接收所述混合物的第一入口，用于促進所述第一反應物和第二反應物之間的反應以產(chǎn)生烷基酯的第一酶，及輸出所述烷基酯、所述溶劑和其它組分的第一出口；及包括第二反應器的第二子系統(tǒng)，所述第二反應器具有用于傳輸包含另外的第二反應物、惰性溶劑和來自所述第一出口的烷基酯和其它組分的至少部分的第二混合物的第二管路，接收第二藥筒的第二連接器，所述第二藥筒具有，用于從所述第二管路接收所述混合物的第二入口，用于促進所述第二反應物和其它組分之間的反應以產(chǎn)生更多烷基酯的第二酶，及輸出所述烷基酯的第二出口。
36.用于產(chǎn)生烷基酯的系統(tǒng)，包括接收包含第一反應物和第二反應物的混合物的藥筒，所述藥筒包括用于促進所述第一反應物和第二反應物間的反應以產(chǎn)生反應產(chǎn)物的酶，所述藥筒具有標識符；及根據(jù)該藥筒的標識符來控制所述系統(tǒng)的操作條件的控制器。
37.如權利要求36所述的系統(tǒng)，其中所述反應產(chǎn)物包括烷基酯。
38.如權利要求36所述的系統(tǒng)，其中所述酶包括脂肪酶。
39.如權利要求36所述的系統(tǒng)，其中所述控制器根據(jù)所述標識符控制泵速，其中所述泵速影響所述溶液經(jīng)過所述藥筒的速度。
40.如權利要求36所述的系統(tǒng)，其中所述控制器根據(jù)所述標識符控制加熱器，其中所述加熱器影響所述溶液的溫度。
41.如權利要求36所述的系統(tǒng)，其中所述控制器根據(jù)所述標識符確定何時發(fā)出所述藥筒需要更換的信號。
42.包括含有脂肪酶的藥筒及烷基酯發(fā)生器的裝置，其中將所述藥筒配置為與所述烷基酯發(fā)生器連接；所述烷基酯發(fā)生器包括混合器，該混合器將油源與伯醇或仲醇在有機溶劑中混合以形成流過所述藥筒的溶液，其中所述油源包括甘油三酯，且所述脂肪酶促進所述甘油三酯和伯醇或仲醇之間的反應以產(chǎn)生烷基酯，其中在整個反應過程中所述溶液不發(fā)生相分離，且產(chǎn)生副產(chǎn)物甘油，蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器用于去除所述有機溶劑和未反應的伯醇或仲醇，相分離器，所述相分離器用于將所述烷基酯與甘油分離，及第二分離器，所述第二分離器用于將烷基酯與未反應的油源分離。
43.包括含有脂肪酶的藥筒及烷基酯發(fā)生器的裝置，其中所述藥筒配置為與所述烷基酯發(fā)生器連接；所述烷基酯發(fā)生器包括混合器，該混合器將油源和伯醇或仲醇在有機溶劑中混合以形成流過所述藥筒的溶液，其中所述油源包括甘油三酯，且所述脂肪酶促進所述甘油三酯和伯醇或仲醇之間的反應以產(chǎn)生烷基酯，其中在整個反應過程中所述溶液不發(fā)生相分離，且產(chǎn)生副產(chǎn)物水，蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器用于去除所述有機溶劑和未反應的伯醇或仲醇，和分離器，所述分離器用于將烷基酯與未反應的油源分離。
44.如權利要求43所述的裝置，其中所述分離器包括短程蒸發(fā)器。
45.包括蒸發(fā)器和分離器的裝置，其中所述蒸發(fā)器具有用于接收包含烷基酯、醇、惰性溶劑和甘油的混合物的入口，所述蒸發(fā)器用于蒸發(fā)所述惰性溶劑和醇，以產(chǎn)生包含烷基酯和甘油的溶液；且所述分離器具有用于接收所述溶液的入口，所述分離器根據(jù)液液相分離將所述烷基酯與甘油分離。
46.生產(chǎn)烷基酯的裝置，包括混合器，其用于將油源與伯醇或仲醇在有機溶劑中混合形成溶液，所述油源包括甘油三酯；反應器，所述反應器接收所述溶液并包括用于促進所述甘油三酯和伯醇或仲醇之間的反應以產(chǎn)生烷基酯的脂肪酶，其中在整個反應過程中所述溶液不發(fā)生相分離，且產(chǎn)生副產(chǎn)物甘油；蒸發(fā)器，其用于去除所述有機溶劑和未反應的伯醇或仲醇；及相分離器，其用于將所述烷基酯與甘油分離。
47.如權利要求46所述的裝置，還包括載體，其中所述脂肪酶固化在所述載體上。
48.如權利要求46所述的裝置，還包括回流機制，使得由所述相分離器分離的烷基酯的至少部分進入所述入口并加入到所述溶液中。
49.一種方法，包括將藥筒插入到烷基酯發(fā)生器中，所述藥筒具有入口、出口以及位于所述入口和出口之間的酶；讀取所述藥筒上編碼的信息；及根據(jù)所述信息控制所述烷基酯發(fā)生器的操作。
50.如權利要求49所述的方法，其中對所述烷基酯發(fā)生器操作的控制包括控制流入所述藥筒入口的溶液的溫度和流速中至少一個。
全文摘要
本發(fā)明公開了包括第一反應器和回流機制的裝置。所述第一反應器具有入口、酶和出口，所述入口接收包括第一反應物、第二反應物、反應產(chǎn)物以及溶解至少部分所述第一和第二反應物的惰性溶劑的混合物；所述酶促進所述第一和第二反應物之間的反應以產(chǎn)生更多反應產(chǎn)物；所述出口輸出反應產(chǎn)物，其包括在所述入口接收的反應產(chǎn)物以及所述第一和第二反應物之間反應產(chǎn)生的反應產(chǎn)物。所述回流機制將至少部分所述反應產(chǎn)物從所述出口送回至所述入口。
文檔編號C12M1/40GK1752185SQ20051010319
公開日2006年3月29日 申請日期2005年9月20日 優(yōu)先權日2004年9月20日
發(fā)明者周治忠 申請人:三合生物柴油公司