專利名稱：用于制備醇的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容涉及用于制備醇的系統(tǒng)和方法。更具體地，本公開內(nèi)容涉及使用電化
學活化水的醇制備。 背景 醇，例如乙醇，典型使用濕磨或干磨方法制備。濕磨方法包括在進行用于制備醇的發(fā)酵過程之前，將原料分離成成分，例如淀粉。與之比較地，干磨方法包括將原料磨制成精細粉末顆粒，然后在發(fā)酵過程中將顆粒中的淀粉轉(zhuǎn)化成醇。 許多種類的農(nóng)業(yè)原料產(chǎn)品可以被制成醇。然而，為了維持方法效率，適宜地堅持制備中的某些步驟。例如，典型地，對于用于制備醇的每蒲式耳的谷物，需要約30加侖的水。當用蒸汽或在較高的溫度蒸煮時，可以通過在開始使用較少的水來保存能量。此外，通過使用大量的水來促進快速滾動沸騰，提高了至醇的轉(zhuǎn)化率。因此，存在正在發(fā)生的對提高醇制備系統(tǒng)的效率的技術(shù)的需求。
概述 本公開內(nèi)容的一個方面涉及一種制備系統(tǒng)，所述制備系統(tǒng)包括電解池，所述電解
池配置為電化學活化所接收到的液體；漿液蒸煮器，所述漿液蒸煮器配置為將電化學活化
液體與原料顆?；旌弦孕纬蓾{液；發(fā)酵容器，所述發(fā)酵容器配置為接收處于水解狀態(tài)的漿
液并且從所述水解的漿液制備液體混合物，其中所述液體混合物包括水和醇；和蒸餾組件，
所述蒸餾組件配置為將所述液體混合物的醇的至少一部分與所述液體混合物的水分離。 本公開內(nèi)容的另一個方面涉及一種用于制備醇產(chǎn)物的方法。所述方法包括在漿
液蒸煮器中加熱電化學活化液體和原料顆粒以形成漿液，在所述漿液中，電化學活化液體
至少部分地溶劑化原料顆粒。該方法還包括水解漿液，將水解的漿液發(fā)酵以形成包含水和
醇的液體混合物，和在蒸餾組件中將所述液體混合物的醇與所述液體混合物的水分離。
本公開內(nèi)容的再一個方面涉及一種用于制備醇產(chǎn)物的方法。該方法包括電化學活
化包含水和醇的液體混合物，將電化學活化液體混合物進料到蒸餾組件中，和在蒸餾組件
中將電化學活化液體混合物的醇與電化學活化液體混合物的水分離。 附圖簡述

圖1是用于使用電化學活化液體制備醇的制備系統(tǒng)的示意圖。 圖2是用于使用電化學活化液體，并且另外使用電化學活化的醇/水混合物制備醇的備選制備系統(tǒng)的示意圖。 圖3是制備系統(tǒng)的電解池的示意圖，其中所述電解池具有擁有離子交換膜的雙室布置。 圖4是制備系統(tǒng)的備選電解池的示意圖，其中所述備選電解池包括沒有離子交換膜的單室布置。 圖5是用于使用電化學活化液體制備醇的方法的流程圖。 圖6是用于使用電化學活化液體，并且使用電化學活化的醇/水混合物制備醇的方法的流程圖。
詳細描述 本公開內(nèi)容的一個方面涉及用于使用以堿性液體、酸性液體、或堿性和酸性物種 的混合組合的形式的電化學活化液體制備醇例如乙醇(CH3CH20H)的系統(tǒng)和方法。電化學活 化液體可以用于醇制備中的一個或多個階段，并且特別適于與原料顆粒一起產(chǎn)生用于水解 反應和發(fā)酵的漿液。在理解可以使用多種不同液體的情況下，下列討論集中于用于制備醇 例如乙醇的水和電化學活化水的使用。 圖1是制備系統(tǒng)10的示意圖，其圖示用于使用電化學活化水制備醇(例如，乙醇) 的本公開內(nèi)容的一個方面。如所顯示的，制備系統(tǒng)10包括電解池12、原料磨機14、漿液蒸 煮器16、發(fā)酵罐18、固體/液體(S/L)分離器20、蒸餾組件22，和收集罐24。圖1中所示的 制備系統(tǒng)10的圖示為了容易討論而簡化，并且制備系統(tǒng)10還適宜地包括多種另外的處理 和調(diào)節(jié)部件，例如流體和氣體泵、過濾器、換熱器、閥組件、工藝傳感器(例如，熱電偶)、過 程-控制機構(gòu)，等。 電解池12是適于跨過在至少一個陽極電極和至少一個陰極電極之間的水(或其 它液體)施加電場的流體處理池。適用于電解池12的池可以具有任意合適數(shù)目的電極以 及任意合適數(shù)目的用于容納水的室。如以下所討論的，電解池12可以包括在陽極和陰極之 間的一個或多個離子交換膜，或可以配置為沒有離子交換膜。電解池12可以具有多種不同 結(jié)構(gòu)，例如但不限于在于2007年8月16日出版的Field等的美國專利公布2007/0186368 中公開的那些。在一個備選實施方案中，制備系統(tǒng)IO可以包括多個電解池12，其以串聯(lián)和 /或并聯(lián)布置運行以將水電化學活化。在另外的備選實施方案中，可以從一個或多個外部源 (例如， 一個或多個外部電解池)將水電化學活化。 水通過入口管線26供給到電解池12中，所述入口管線26相應地從進料管線28和 再循環(huán)管線30接收水。進料管線28是從供給源(未示出)提供淡水的水管線，而再循環(huán) 管線32是來自蒸餾組件22的水管線。來自進料管線28和再循環(huán)管線30的水流匯聚，以 將水供給到入口管線26。在一個實施方案中，水可以作為分開的流流過電解池12。例如， 如圖1中所示，入口管線26可以分成一對水管線，從而在進入電解池12中之前將水分成子 流(sub-streams)。備選地，水可以在進入電解池12以后分開。當水流過電解池12時，跨 過電解池12中的水施加的電場將水電化學活化，其通過在電路的一側(cè)收集正離子(即，陽 離子，H+)并且在相對側(cè)收集負離子(即，陰離子，OH-)而將水分離。具有陽離子的水因而 被給予酸性，而具有陰離子的水相應地被給予堿性。在備選的實施方案中，水可以作為單一 流直接從入口管線26進入電解池12。 電解過程還可能產(chǎn)生氣相泡沫(gas-phase bubble)，其中所述氣相泡沫的尺寸可 以根據(jù)多種因素而改變，所述多種因素例如通過電解池12的壓力以及電化學活化的程度。 相應地，氣相泡沫可以具有多種不同尺寸，包括但不限于，大泡沫、微泡沫、納米泡沫，和它 們的混合物。在包括大泡沫的實施方案中，對于產(chǎn)生的泡沫合適的平均泡沫直徑的實例包 括在約500微米至約1毫米的范圍內(nèi)的直徑。在包括微泡沫的實施方案中，對于產(chǎn)生的泡 沫合適的平均泡沫直徑的實例包括在約1微米至小于約500微米的范圍內(nèi)的直徑。在包括 納米泡沫的實施方案中，對于產(chǎn)生的泡沫合適的平均泡沫直徑的實例包括小于約1微米的 直徑，并且特別合適的平均泡沫直徑包括小于約500納米的直徑，并且再更特別合適的平 均泡沫直徑包括小于約100納米的直徑。
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電解過程還通過將水破碎成可以比正常水有效得多地穿透細胞的較小單元而 重構(gòu)水。例如，大部分自來水和瓶裝水由未結(jié)構(gòu)化的(unstructured)水分子的大的聚 集體構(gòu)成，其過大，以至于不能有效率地移動到細胞中。然而，電化學活化水是結(jié)構(gòu)化的 (structured)水，其以用于更好的養(yǎng)分吸收和更有效的廢物移除的快得多的速率穿透細 胞。較小的水單元還具有對于代謝過程的效率的積極效果。 如在圖1中進一步顯示的，產(chǎn)生的電化學活化水的流可以通過分開的水管線(稱 為出口管線32和34)離開電解池12。出口管線32將電解池12和槳液蒸煮器16互連，從 而將所需的水產(chǎn)物流從電解池12導引到漿液蒸煮器16。出口管線34是不需要的水產(chǎn)物流 的排放管線，并且可以被丟棄或再循環(huán)。在一個實施方案中，被給予酸性的水作為所需水產(chǎn) 物流通過出口管線32離開電解池12。產(chǎn)生的酸性水缺乏電子(即，氧化水)并且具有高的 氧化還原電勢。因而，酸性水可以起到抗菌劑、抗微生物劑和/或抗真菌劑的作用。在此實 施方案中，被給予堿性的水作為不需要的水產(chǎn)物流通過出口管線34離開電解池12。
在一個備選實施方案中，被給予堿性的水作為所需水產(chǎn)物流通過出口管線32離 開電解池12。產(chǎn)生的堿性水具有大量電子(S卩，還原水)，并且具有以有效的速率中和自由 基的能力。在此實施方案中，被給予酸性的水作為不需要的水產(chǎn)物流通過出口管線34離開 電解池12。在一個另外的備選實施方案中，將被給予酸性的水和被給予堿性的水再合并，并 且作為所需水產(chǎn)物流通過出口管線32離開電解池12。如以下所討論的，盡管被再合并，但 是酸性水和堿性水保持它們的離子性質(zhì)和氣相泡沫歷時足以輔助在漿液蒸煮器16中形成 漿液的持續(xù)時間。在此實施方案中，可以省略出口管線34。 原料磨機14包括配置為將接收到的原料磨制成用于在漿液蒸煮器16中使用的精 細粉末顆粒的一個或多個機構(gòu)。谷物磨機14可以具有用于磨制原料的多種不同構(gòu)造(例 如，錘磨機)。適合于在制備醇中使用的原料包括含有下列各項的材料糖(例如，制糖甜 菜、糖甘蔗、甜高粱和成熟水果)、淀粉(例如，谷物、馬鈴薯和洋姜)、可以容易地轉(zhuǎn)化成可 發(fā)酵糖的纖維素(例如，禾莖、草和木材)，以及它們的組合。特別合適的原料的實例包括含 有多糖碳水化合物淀粉(C6H1Q05)n例如直鏈淀粉-支鏈淀粉-基淀粉的材料。原料磨機14 將原料顆粒磨制成適合于將原料顆粒懸浮在電化學活化水中(在漿液蒸煮器16內(nèi))的粒 度。在磨制以后，經(jīng)由輸送管線36將產(chǎn)生的原料顆粒傳送到漿液蒸煮器16。
漿液蒸煮器16包括一個或多個罐，在所述一個或多個罐中，將原料顆粒與電化學 活化水和一種或多種酶(例如，a-淀粉酶類)混合，以制備用于水解反應的原料顆粒。還 可以向混合物中加入另外的材料(例如，pH改性劑)。原料顆粒與電化學活化水的合適比率
可以根據(jù)多種因素而改變，例如使用的原料的類型、使用的酶的類型、蒸煮溫度、和蒸煮持 續(xù)時間。原料顆粒與電化學活化水的合適比率的實例在約2 : 1至約10 : l的范圍內(nèi)，并
且特別合適的比率在約4 : l至約8 : i的范圍內(nèi)。適宜地將產(chǎn)生的漿液加熱合適的持續(xù)
時間，以達到用于隨后處理的適宜粘度。適合于蒸煮工序的高溫在約77°C (約170° F)至 約93。C (約200° F)的范圍內(nèi)，并且特別合適的高溫在約82。C (約180° F)至約88。C (約 190° F)的范圍內(nèi)。適合于蒸煮工序的持續(xù)時間在約15分鐘至約2小時的范圍內(nèi)，并且特 別合適的持續(xù)時間在約30分鐘至約1小時的范圍內(nèi)。 電化學活化水中的陽離子和/或陰離子幫助在液體介質(zhì)中至少部分地溶劑化原 料顆粒和酶。水的陽離子和/或陰離子至少部分地與原料顆粒和酶的各種分子締合，從而將原料顆粒懸浮在液體介質(zhì)中。例如，陽離子和/或陰離子可以與淀粉鏈的直鏈淀粉和支鏈淀粉組分的羥基(-0H)形成離子鍵。這對于防止原料顆粒沉降是有利的，否則所述原料顆粒沉降可能降低與酶混合的均勻性。這可能相應地減小在隨后的水解反應過程中的轉(zhuǎn)化百分率。原料顆粒的沉降還可能不適宜地引起原料顆粒沿漿液蒸煮器16的壁集中，這可能降低制備系統(tǒng)10中的原料效率，并且可能潛在地阻塞在蒸煮工序完成以后來自漿液蒸煮器16的產(chǎn)生的漿液的通路。在一個實施方案中，還在蒸煮工序的過程中攪動漿液，以進一步幫助將原料顆粒懸浮在液體介質(zhì)中，并且防止?jié){液中熱點(hot spots)的形成，否則所述熱點可能燒焦原料顆粒。 在蒸煮工序完成以后，將產(chǎn)生的漿液冷卻以誘導水解反應。在一個實施方案中，漿液蒸煮器16配置為還起到冷卻換熱器的作用，以將漿液快速冷卻下來。在備選實施方案中，可以將漿液從漿液蒸煮器16轉(zhuǎn)移到分開的冷卻單元(例如，閃蒸冷凝器，未示出)。還可以經(jīng)由出口管線32添加另外的電化學活化水以幫助冷卻蒸煮的漿液。
在一個實施方案中，在冷卻以后，將漿液再加熱充分的持續(xù)時間以允許酶將淀粉破碎成較小的鏈(例如葡萄糖和糊精)。適合于水解反應的再加熱溫度在約77t:(約170° F)至約93。C (約20(T F)的范圍內(nèi)，并且特別適合的高溫在約82°C (約18(T F)至約88°C (約190° F)的范圍內(nèi)。適合于水解反應的持續(xù)時間在約30分鐘至約4小時的范圍內(nèi)，并且特別優(yōu)選的持續(xù)時間在約1小時至約2小時的范圍內(nèi)。在水解反應完成以后，將產(chǎn)生的水解漿液(即，糊料)經(jīng)由轉(zhuǎn)移管線38運送到發(fā)酵罐18。 發(fā)酵罐18包括一個或多個容器，其配置為允許使用一種或多種酶(例如，葡糖淀粉酶)將水解漿液進一步破碎成單糖。引入到發(fā)酵罐18中的酵母然后將單糖破碎成乙醇和二氧化碳，其中二氧化碳可以通過排放管線40從發(fā)酵罐18排放。適合于發(fā)酵工序的持續(xù)時間在約50小時至約75小時的范圍內(nèi)。然后所產(chǎn)生的醇/水混合物與固體(例如，谷物和酵母殘余物) 一起經(jīng)由輸送管線42轉(zhuǎn)移到S/L分離器20。 S/L分離器20包括配置為從所需的醇/水混合物分離固體的一個或多個分離器單元。適用于S/L分離器20的分離器單元可以結(jié)合多種分離技術(shù)，并且可以包括離心機、旋轉(zhuǎn)篩、用鉆頭(augurs)沖孔的管筒，和它們的組合。分離的固體可以經(jīng)由排放管線44離開S/L分離器20，并且可以為了其它用途(例如，動物飼料)而收集。所需的醇/水混合物通過流體管線46運送到蒸餾組件22。 蒸餾組件22包括一個或多個蒸餾塔(例如，塔48)，以及一個或多個冷凝器和再沸器(例如，冷凝器50和再沸器52)，并且配置為將水與所需的醇分離。適用于塔48的蒸餾塔的實例包括填充塔、孔板塔、泡罩塔，以及它們的組合。如所顯示的，醇/水混合物適宜地在濃縮段和汽提段之間的中點位置進入塔52。由于水和醇各自具有固定的蒸發(fā)速率，其隨著熱而改變并且由在密閉容器中產(chǎn)生以實現(xiàn)與流體平衡的蒸汽壓確定，因此通過控制對混合物施加的熱可以將醇與水分離。醇的蒸汽壓高于水的蒸汽壓，因此在水的蒸汽壓達到與大氣壓的平衡之前，醇的蒸汽壓達到與大氣壓的平衡。然而，在將水和醇混合時，該組合的沸點落在分開的成分的沸點(即，水在10(TC沸騰，而乙醇在78.3t:沸騰)之間。水與醇的比率也確定混合物沸騰的實際溫度。醇的濃度越高則沸點越低，反之亦然。這樣，混合物的溫度將在整個蒸餾運行(run)過程中隨著醇被排除而升高。 由于醇具有比水更高的蒸汽壓，因此通過使所述兩者的組合沸騰而釋放出的蒸汽將具有不成比例地大部分的醇。例如，在具有10體積％的乙醇和90體積％的水的混合物中，釋放的蒸汽將為約80體積％的醇。為了增加醇的百分比，使用冷凝器50和再沸器52將蒸汽冷凝并且再蒸發(fā)。每一次再蒸發(fā)增大所述批次的醇濃度，直至液體達到共沸極限。
在塔22的頂部和冷凝器50收集到的所需的醇(例如，乙醇)然后可以通過流體管線54轉(zhuǎn)移到貯存容器24。在一個實施方案中，所需的醇還可以通過分子篩，以移除由于共沸極限而保留的水。在塔22的底部和再沸器52收集的分離的水然后可以經(jīng)由排放管線56排放和/或經(jīng)由再循環(huán)管線30再循環(huán)。如以上所討論的，電化學活化水的使用增進了原料顆粒的懸浮，從而增加水解漿液成為醇的轉(zhuǎn)化率。這相應地減少了制備醇所需的原料的 圖2是制備系統(tǒng)110的示意圖，其是制備系統(tǒng)IO(圖1中所示)的備選物，并且其中關(guān)于各個部件的附圖標記增加"100"。如圖2中所示，制備系統(tǒng)110以與制備系統(tǒng)10相同的方式起作用，以使用在電解池112中產(chǎn)生的電化學活化水制備醇(例如，乙醇)。另外，制備系統(tǒng)110還包括布置在S/L分離器120和蒸餾組件122之間的電解池158。電解池158是適于跨過在至少一個陽極電極和至少一個陰極電極之間的醇/水混合物施加電場的第二流體處理池。因此，電解池158可以以與電解池12(圖1中所示)相同的方式起作用，并且適用于電解池158的設(shè)計包括以上對于電解池12所討論的那些。
醇/水混合物通過流體管線146供給到電解池158。在一個實施方案中，醇/水混合物可以作為分開的流流過電解池158。例如，如圖2中所示，流體管線146可以分成一對流體管線，從而在進入電解池158之前將醇/水混合物分離成子流。備選地，醇/水混合物可以在進入電解池158以后分離。當醇/水混合物流過電解池158時，跨過電解池158中的醇/水混合物所施加的電場將醇/水混合物電化學活化，其通過在電路的一側(cè)收集陽離子并且在相對側(cè)收集陰離子而分離醇/水混合物。在備選的實施方案中，醇/水混合物可以作為單一流直接從入口管線126進入電解池158。 電解過程還適宜地產(chǎn)生氣相泡沫，其中所述氣相泡沫的尺寸可以根據(jù)多種因素而改變，所述多種因素例如通過電解池158的壓力以及電化學活化的程度。相應地，氣相泡沫可以具有多種不同尺寸，包括但不限于，大泡沫、微泡沫、納米泡沫，和它們的混合物。在包括大泡沫的實施方案中，對于產(chǎn)生的泡沫合適的平均泡沫直徑的實例包括在約500微米至約1毫米的范圍內(nèi)的直徑。在包括微泡沫的實施方案中，對于產(chǎn)生的泡沫合適的平均泡沫直徑的實例包括在約1微米至小于約500微米的范圍內(nèi)的直徑。在包括納米泡沫的實施方案中，對于產(chǎn)生的泡沫合適的平均泡沫直徑的實例包括小于約1微米的直徑，并且特別合適的平均泡沫直徑包括小于約500納米的直徑，并且再更特別合適的平均泡沫直徑包括小于約100納米的直徑。 然后可以將電化學活化的醇/水混合物合并并且經(jīng)由流體管線160導引至蒸餾組件122。歸因于醇的較高揮發(fā)度，氣相泡沫適宜地包括高濃度的醇，從而增加蒸餾組件122中的醇和水的分離速率。這通過減少將醇與水分離所需的持續(xù)時間和能量而提高了運行蒸餾組件122的效率。 圖3是電解池158的示意圖，其還是適用于電解池12(圖1中所示)和電解池112(圖2中所示)的設(shè)計。如圖3中所示，電解池158包括膜162，其將電解池158分成陽極室164和陰極室166。盡管在圖3中將電解池158示出為具有單個陽極室和單個陰極室，但是電解池158可以備選地包括多個由一個或多個膜162分開的陽極室和陰極室。
膜162是離子交換膜，例如陽離子交換膜(即，質(zhì)子交換膜)或陰離子交換膜。適用于膜162的陽離子交換膜包括部分或完全氟化的離聚物、多芳基(polyaromatic)離聚物、以及它們的組合。適用于膜162的可商購離聚物的實例包括可以商標"NAFION"購自特拉華Wilmington的E. I. du Pontde Nemours and Company的磺化四氟乙烯共聚物；可以商標"FLEMI0N"購自日本Asahi Glass Co. ， Ltd.的全氟化羧酸離聚物；可以商標"ACIPLEX"Aciplex購自日本Asahi Chemical Industries Co. Ltd.的全氟化磺酸離聚物；和它們的組合。 陽極室164和陰極室166分別包括陽極電極168和陰極電極170，其中膜162布置在陽極電極168和陰極電極170之間。陽極電極168和陰極電極170可以由任何合適的導電材料例如鈦制成，并且可以涂敷有一種或多種貴金屬(例如，鉑)。陽極電極168和陰極電極170各自還可以表現(xiàn)出多種不同的幾何設(shè)計和構(gòu)造，例如平板、共軸板(例如，用于管狀電解池)、棒，和它們的組合；并且可以具有實心構(gòu)造，或可以具有一個或多個孔(例如，金屬網(wǎng)(metallic meshes))。盡管陽極室164和陰極室166各自示出為具有單個陽極電極168和陰極電極170，但是陽極室164可以包括多個陽極電極168，并且陰極室166可以包括多個陰極電極170。 陽極電極168和陰極電極170可以電連接到常規(guī)電源(未示出)的相對端(卿osing terminals)。電源可以對電解池158向陽極電極168和陰極電極170提供恒定的直流(DC)輸出電壓、脈沖或以其它方式調(diào)制的DC輸出電壓、或脈沖或以其它方式調(diào)制的AC輸出電壓。電源可以具有任何合適的輸出電壓水平、電流水平、負載循環(huán)或波形。在一個實施方案中，電源以相對穩(wěn)定的狀態(tài)對陽極電極168和陰極電極170施加電壓。電源包括DC/DC轉(zhuǎn)換器，其使用脈沖-寬度調(diào)制(P麗)控制方案控制電壓和電流輸出。還可以使用其它類型的電源，其可以是脈沖的或不是脈沖的，并且處于其它的電壓和功率范圍。參數(shù)是對于應用特定的。陽極電極168和陰極電極170的極性還可以在操作過程中反轉(zhuǎn)，以移除可能在陽極電極168和陰極電極170上形成的任何污垢。 在操作過程中，將醇/水混合物從作為流體管線146的分開的路徑的進料入口146a和146b供給到電解池158。流過進料入口 146a的醇/水混合物流到陽極室164中，并且流過進料入口 146b的醇/水混合物流到陰極室166中。施加電壓電勢以將流過陽極室164和陰極室166的醇/水混合物電化學活化。例如，在其中膜162是陽離子交換膜的一個實施方案中，跨過陽極電極168和陰極電極170施加合適的電壓(例如，DC電壓)電勢。在電解池158內(nèi)的任何位置所需的實際電勢可以由醇/水混合物的局部組成確定。另外，適宜地跨過陽極電極168和陰極電極170施加較大的電勢差(S卩，超電勢)，以提供顯著的反應速率。鉑-基電極典型地需要將電極之間的電勢差增加約半伏特。另外，為了驅(qū)動電流通過電解池158，另外的電勢是適宜的。對于電解池158合適的施加電壓電勢的實例在約1伏特至約40伏特的范圍內(nèi)，并且特別合適的電壓在約5伏特至約25伏特的范圍內(nèi)，并且再更特別合適的電壓在約10伏特至約20伏特的范圍內(nèi)。 通過跨過陽極電極168和陰極電極170施加電壓電勢，在陽極室164的醇/水混合物中產(chǎn)生的陽離子(例如H+)跨過膜162朝向陰極電極170轉(zhuǎn)移，同時在陽極室164的醇/水混合物中產(chǎn)生的陰離子(例如，0H—)朝向陽極電極168移動。類似地，在陰極室166的醇/水混合物中產(chǎn)生的陽離子(例如H+)也朝向陰極電極170移動，并且在陰極室166的醇/水混合物中產(chǎn)生的陰離子(例如，OH—)嘗試朝向陽極電極168移動。然而，膜162防止陰極室166中存在的陰離子的轉(zhuǎn)移。因此，陰離子保持限定在陰極室166內(nèi)。
在電解繼續(xù)的同時，醇/水混合物中的陰離子在陽極電極168處與金屬原子(例如，鉑原子)結(jié)合，而醇/水混合物中的陽離子(例如，氫)在陰極電極170處與金屬原子(例如，鉬原子)結(jié)合。這些結(jié)合的原子在各個電極的表面上以二維方式在周圍擴散，直至它們參與另外的反應。其它的原子和多原子基團也可以類似地結(jié)合到陽極電極168和陰極電極170的表面上，并且也可以隨后進行反應。在表面產(chǎn)生的分子例如氧(02)和氫(H2)可以作為氣體進入到醇/水混合物的液相中的小的空穴(即，泡沫)中，和/或可以被醇/水混合物的液相溶劑化。如以上所討論的，歸因于醇的較高揮發(fā)度(相對于水的揮發(fā)度)，氣相泡沫適宜地包含高濃度的醇，從而增加在蒸餾組件122中的醇和水的分離速率。
在氣液界面的表面張力由離開陽極電極168和陰極電極170的表面指向的分子之間的吸引所產(chǎn)生，因為與表面分子受到在電極表面的氣體分子吸引相比，表面分子更加受到在醇/水混合物內(nèi)的分子吸引。相反，醇/水混合物的本體的分子在所有方向上等同地受吸引。因而，為了增加可能的相互作用能，表面張力引起在電極表面的分子進入到液體本體中。 在其中產(chǎn)生氣相納米泡沫的實施方案中，還據(jù)信不論納米泡沫的小的直徑，納米泡沫(即，具有小于約l微米的直徑的泡沫)中含有的氣體在液相醇/水混合物中穩(wěn)定相當?shù)某掷m(xù)時間。盡管不希望受理論束縛，但是據(jù)信，當氣體泡沫的彎曲表面接近分子尺寸時，在氣/液界面的醇/水混合物的表面張力下降。這減小了納米泡沫散逸的自然趨勢。
此外，納米泡沫氣/液界面歸因于跨過膜162施加的電壓電勢而帶電荷。電荷引入了與表面張力相反的力，其也減慢或防止納米泡沫的散逸。同樣電荷在界面處的存在減小表觀表面張力，并且電荷推斥在與歸因于表面張力的表面最小化相反的方向上起作用。任何效果都可以通過有利于氣/液界面的另外的帶電荷材料的存在而增加。
氣/液界面的自然態(tài)表現(xiàn)為負電性的。具有低的表面電荷密度和/或高的極化性的其它離子(例如C1—、C10—、H02—和02—)也有利于氣/液界面，水合電子也一樣。水性自由基也優(yōu)選位于這樣的界面處。因而，據(jù)信存在于陰極電解液(即，流過陰極室166的子流)中的納米泡沫是帶負電荷的，但是在陽極電解液(即，流過陽極室164的子流)中的那些納米泡沫將擁有很少電荷(過量的陽離子抵償了自然的負電荷)。因此，陰極電解液納米泡沫當在流體管線160的匯聚點(圖2中所示)處與陽極電解液子流混合時不大可能失去它們的電荷，而是另外穩(wěn)定比流體管線160內(nèi)的電化學活化的醇/水混合物的停留時間更長的持續(xù)時間。 另外，歸因于陰極上的過量電勢，氣體分子可能在納米泡沫內(nèi)變得帶電荷(例如，02—)，從而增加納米泡沫的總電荷。在帶電荷的納米泡沫的氣/液界面的表面張力可以相對于未帶電荷的納米泡沫減小，并且它們的尺寸得以穩(wěn)定。這可以定性地意識到，因為表面張力引起表面最小化，而帶電荷的表面趨于擴張以使類似電荷之間的推斥最小化。歸因于超過電解所需的功率損耗的過量功率損耗而在電極表面處升高的溫度，也可能通過降低局部氣體溶解度而增加納米泡沫形成。 由于相同電荷之間的推斥力根據(jù)它們分開距離的平方而相反地增加，因此當泡沫
10直徑減小時，存在增加的向外壓力。電荷的作用是減小表面張力的作用，表面張力趨于減小 表面，而表面電荷趨于使其擴張。因而，在這些相反的力相等時達到平衡。例如，假定在氣 體泡沫(半徑r)的內(nèi)表面上的表面電荷密度為①(e7米"，向外壓力("P^卜")可以通 過解答以下給出的納維司托克斯(NavierStokes)方程式得到
P向外=①72D e 。
(方程式1) 其中D為氣體泡沫的相對介電常數(shù)(假定為l(皿ity))，" e。"是真空的電容率 (即，8.854pF/米)。歸因于對氣體的表面張力的向內(nèi)壓力("P向內(nèi)")為
p向內(nèi)=2g/r P向夕卜 (方程式2) 其中"g"為表面張力(在25"為0.07198焦耳/米2)。因此，如果這些壓力相等， 則氣體泡沫的半徑為 r = 0. 28792 e 。/①2. (方程式3) 因此，對于5納米、10納米、20納米、50納米和100納米的納米泡沫直徑，對于零過 量內(nèi)壓力計算的電荷密度分別為O. 20、0. 14、0. 10、0.06和0.04e7納米2泡沫表面積。這
樣的電荷密度可使用電解池24容易地得到。納米泡沫半徑隨著泡沫上的總電荷增加2/3 次方增大。在這些處于平衡的情形下，在納米泡沫表面的醇/水混合物的有效表面張力為 零，并且?guī)щ姾傻臍怏w在泡沫中的存在增大了穩(wěn)定的納米泡沫的尺寸。將不顯示泡沫尺寸 的進一步減小，因為它將導致內(nèi)壓力降至低于大氣壓的減小。 在電解池158內(nèi)的各種情況中，納米泡沫可以由于表面電荷而分成還更加小的泡 沫。例如，假定半徑為"r"和總電荷為"q"的泡沫分成兩個相同體積和電荷的泡沫(半徑 r1/2 = 1721/3，和電荷q1/2 = q/2)，并且忽略泡沫之間的庫侖相互作用，則歸因于表面張力 (AEST)和表面電荷(AEq)的能量變化的計算提供了 A EST = +2 (4 Ji Y r1/22) _4 Ji Y r2 = 4 Ji Y r2 (21/3_1) (方程式3)
和
2 _
了


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(方程式4)
如果總能量變化為負，則泡沫是亞穩(wěn)態(tài)的，其在AEST+AE。為負時出現(xiàn)，從而提供
<formula>formula see original document page 11</formula>(方程式5)
其提供了半徑和電荷密度(①)之間的關(guān)系
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(方程式6)
因此，對于5納米、10納米、20納米、50納米和100納米的納米泡沫直徑，對于泡沫分裂計算的電荷密度分別為0. 12、0. 08、0. 06、0. 04和0. 03e—/納米2泡沫表面積。對于相 同的表面電荷密度，將表觀表面張力減小至零的泡沫直徑典型地比將泡沫分裂為兩個的泡 沫直徑大約3倍。因而，納米泡沫通常將不分開，除非存在另外的能量輸入。
含有氣相泡沫(例如，大泡沫、微泡沫和納米泡沫)的電化學活化的醇/水混合物 經(jīng)由進料出口 160a和160b離開電解池158，并且子流在進入蒸餾組件148之前在流體管線 160處再次匯聚。盡管將陽極電解液和陰極電解液燃料(fuels)在進入蒸餾組件148之前 混合，但是它們最初不處于平衡并且暫時保持它們的電化學活化狀態(tài)。因此，電化學活化的 醇/水混合物含有分散/懸浮在液相醇/水混合物中的氣相泡沫，這提高了蒸餾組件122 內(nèi)的醇/水混合物的分離效率。 圖4是電解池172的示意圖，其是對于池158(圖2和3中所示)的備選電解池的 實施例，其用于在不使用離子交換膜的條件下將流過流體管線146的醇/水混合物電化學 活化。電解池172還是適合于用于在漿液蒸煮器16(圖1中所示)和漿液蒸煮器116(圖2 中所示)中將水電化學活化的電解池12(圖1中所示)和電解池112(圖2中所示)的備 選設(shè)計。 如圖4中所示，電解池172可以直接與流體管線146和160接合，并且包括反應室 174、陽極電極176和陰極電極178。反應室174可以由電解池172的壁限定，由其中放置陽 極電極176和陰極電極178的容器或管道的壁限定，或由陽極電極176和陰極電極178本 身限定。適合于陽極電極176和陰極電極178的材料和構(gòu)造包括以上關(guān)于陽極電極168和 陰極電極170(圖3中所示)所討論的那些。 在操作過程中，將醇/水混合物經(jīng)由進料管線146引入到反應室174中，并且跨過 陽極電極176和陰極電極178施加電壓電勢。這將醇/水混合物電化學活化，其中在陽極 電極176和陰極電極178附近或與陽極電極176和陰極電極178接觸的醇/水混合物的部 分以與以上關(guān)于電解池158所討論的相同的方式產(chǎn)生氣相泡沫。因而，流過電解池172的 醇/水混合物含有分散或另外懸浮在液相醇/水混合物中的氣相泡沫。然而，與電解池158 相比，電化學活化的醇/水混合物在整個電解工序的過程中被混合，而非在電解池上游或 在電解池內(nèi)被分開，然后在電解池下游或在電解池內(nèi)被再次匯聚。因此，得到的電化學活化 的醇/水混合物含有分散/懸浮在液相醇/水混合物中的氣相泡沫，如以上所討論的，這提 高了蒸餾組件122內(nèi)的醇/水混合物的分離效率。 圖5是用于使用醇制備系統(tǒng)例如制備系統(tǒng)10 (圖1中所示)制備醇(例如，乙醇) 的方法180的流程圖。方法180包括步驟182-194，并且最初包括將原料磨制成用于漿液蒸 煮器的精細粉末顆粒(步驟182)。然后向電解池供給一個或多個水流，并且在水流流過電 解池的同時，跨過陽極和陰極電極并且對所述流施加電壓電勢(步驟184)。如以上所討論 的，這將水電化學活化。 然后將電化學活化水與磨制原料組合以形成漿液，并且在漿液蒸煮器中蒸煮漿液 (步驟186)。電化學活化水中的陽離子和/或陰離子幫助在液體介質(zhì)中至少部分地溶劑化 原料顆粒和酶，從而將原料顆粒懸浮在液體介質(zhì)中。這對于防止原料顆粒沉降是有利的，否 則所述原料顆粒沉降可能降低與酶混合的均勻性，并且降低在隨后的水解反應過程中的轉(zhuǎn) 化百分率。在蒸煮工序完成以后，將蒸煮的漿液水解以將原料(例如，淀粉)破碎成較小的 鏈(例如葡萄糖和糊精)(步驟188)，然后將水解的漿液發(fā)酵合適的持續(xù)時間以將水解的漿液轉(zhuǎn)化成醇(例如，乙醇)(步驟190)。 在發(fā)酵工序完成以后，適宜地將產(chǎn)生的醇/水混合物與殘余固體分離(步驟192)， 并且蒸餾醇/水混合物以至少部分地將醇與水分離(步驟194)。如以上所討論的，將水電 化學活化增進原料顆粒的懸浮，從而提高將水解的漿液轉(zhuǎn)化成醇的速率。這相應地減少了 制備醇所需的原料的量。圖6是用于使用醇制備系統(tǒng)例如制備系統(tǒng)110(圖2中所示)制 備醇(例如，乙醇)的方法196的流程圖。方法196包括步驟198-212，其中步驟198-208 可以以與以上關(guān)于方法180的步驟182-192(圖5中所示)所討論的相同方式進行。與方 法180相比，方法196還包括在將混合物進料到蒸餾組件之前，將醇/水混合物的一個或多 個流供給到電解池。在醇/水混合物流流過電解池的同時，跨過陽極和陰極電極并且對所 述流施加電壓電勢(步驟210)。這將醇/水混合物電化學活化，并且適宜地產(chǎn)生氣相泡沫。 然后蒸餾所產(chǎn)生的電化學活化的醇/水混合物以至少部分地將醇與水分離(步驟212)。如 以上所討論的，電化學活化的醇/水混合物提高蒸餾組件內(nèi)的醇/水混合物的分離效率，從 而提高蒸餾組件的操作效率。 盡管參考優(yōu)選實施方案描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域熟練工人將意識到，在不背離 本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行形式和細節(jié)上的變化。
1權(quán)利要求
一種制備系統(tǒng)，其包括電解池，所述電解池配置為接收液體，并且電化學活化所述接收到的液體；漿液蒸煮器，所述漿液蒸煮器配置為接收所述電化學活化液體和原料顆粒，并且將所述電化學活化液體與所述原料顆?；旌弦孕纬蓾{液；發(fā)酵容器，所述發(fā)酵容器配置為接收處于水解狀態(tài)的所述漿液，并且從所述水解的漿液制備液體混合物，所述液體混合物包含水和醇；和蒸餾組件，所述蒸餾組件配置為接收所述液體混合物，并且將所述液體混合物的醇的至少一部分與所述液體混合物的水分離。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備系統(tǒng)，其中所述電解池包括 室；陽極電極，所述陽極電極布置在所述室內(nèi)，并且配置為與電源電連接；禾口 陰極電極，所述陰極電極布置在所述室內(nèi)，并且配置為與所述電源電連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備系統(tǒng)，其中所述電解池還包括布置在所述陽極電極和所 述陰極電極之間的離子交換膜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備系統(tǒng)，所述制備系統(tǒng)還包括第一出口管線，其與所述電解池和所述漿液蒸煮器互連，并且配置為將所述電化學活 化液體的第一部分從所述電解池導引到所述漿液蒸煮器；禾口第二出口管線，其從所述電解池延伸，并且配置為導引所述電化學活化液體的第二部 分離開所述電解池。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備系統(tǒng)，其中所述電化學活化液體的所述第一部分選自由 堿性水和酸性水組成的組。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備系統(tǒng)，其中所述電解池為第一電解池，并且其中所述制 備系統(tǒng)還包括第二電解池。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備系統(tǒng)，其中所述第二電解池配置為電化學活化所述液體 混合物，所述電化學活化液體混合物是由所述蒸餾組件接收的所述液體混合物。
8. —種用于制備醇產(chǎn)物的方法，所述方法包括在漿液蒸煮器中加熱電化學活化液體和原料顆粒以形成漿液，其中所述電化學活化液 體至少部分地溶劑化所述原料顆粒； 水解所述漿液；發(fā)酵所述水解的漿液以形成包含水和醇的液體混合物； 將所述液體混合物進料到蒸餾組件中；禾口在所述蒸餾組件中將所述進料的液體混合物的所述醇與所述進料的液體混合物的所 述水分離。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，所述方法還包括將進料液體引入到電解池中，所述電解池具有至少一個陰極電極和至少一個陽極電 極；和跨過所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極施加電壓電勢，以從所述進料液 體產(chǎn)生所述電化學活化液體。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，所述方法還包括用布置在所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極之間的至少一個離子交換膜保持所述進料液體的至少兩部分的分離。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，所述方法還包括在將所述液體混合物進料到所述蒸 餾組件之前，電化學活化所述液體混合物。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中電化學活化所述液體混合物包括 將所述液體混合物引入到電解池中，所述電解池具有至少一個陰極電極和至少一個陽極電極；和跨過所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極施加電壓電勢，以電化學活化所 述液體混合物。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中電化學活化所述液體混合物包括在所述液體混 合物中產(chǎn)生氣相泡沫。
14. 一種用于制備醇產(chǎn)物的方法，所述方法包括 電化學活化包含水和醇的液體混合物； 將所述電化學活化液體混合物進料到蒸餾組件；禾口在所述蒸餾組件中將所述電化學活化液體混合物的所述醇與所述電化學活化液體混 合物的所述水分離。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中電化學活化所述液體混合物包括 將所述液體混合物引入到電解池中，所述電解池具有至少一個陰極電極和至少一個陽極電極；和跨過所述至少一個陰極電極和所述至少一個陽極電極施加電壓電勢，以從所述液體混 合物產(chǎn)生所述電化學活化液體混合物。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，所述方法還包括在所述電解池內(nèi)用離子交換膜保持 陽極室和陰極室的分離。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中電化學活化所述液體混合物包括 將液體混合物的第一部分引入到電解池的陽極室中； 將所述液體混合物的第二部分引入到所述電解池的陰極室中；禾口跨過所述液體混合物的所述第一和第二部分施加電壓電勢，以電化學活化所述液體混 合物的所述第一和第二部分。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中電化學活化所述液體混合物包括在所述液體混 合物中產(chǎn)生氣相泡沫。
19. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，所述方法還包括在漿液蒸煮器中加熱進料液體和原料顆粒以形成漿液，其中所述進料液體至少部分地 溶劑化所述原料顆粒； 水解所述漿液；禾口發(fā)酵所述水解的漿液以形成所述液體混合物。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中發(fā)酵所述水解的漿液還形成殘余固體，并且其 中所述方法還包括在電化學活化所述液體混合物之前，至少部分地將所述液體混合物與 所述殘余固體分離。
全文摘要
制備系統(tǒng)(10，110)和方法(180，196)，所述方法(180，196)包括將電化學活化液體與原料顆?；旌弦孕纬蓾{液，并且從所述漿液制備醇。
文檔編號C12P7/06GK101743315SQ200880024665
公開日2010年6月16日 申請日期2008年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月18日
發(fā)明者布魯斯·F·費爾德 申請人:坦南特公司