CN101743315A - 用于制备醇的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

制备系统(10，110)和方法(180，196)，所述方法(180，196)包括将电化学活化液体与原料颗粒混合以形成浆液，并且从所述浆液制备醇。

Description

用于制备醇的系统和方法
发明领域
本公开内容涉及用于制备醇的系统和方法。更具体地，本公开内容涉及使用电化学活化水的醇制备。
背景
醇，例如乙醇，典型使用湿磨或干磨方法制备。湿磨方法包括在进行用于制备醇的发酵过程之前，将原料分离成成分，例如淀粉。与之比较地，干磨方法包括将原料磨制成精细粉末颗粒，然后在发酵过程中将颗粒中的淀粉转化成醇。
许多种类的农业原料产品可以被制成醇。然而，为了维持方法效率，适宜地坚持制备中的某些步骤。例如，典型地，对于用于制备醇的每蒲式耳的谷物，需要约30加仑的水。当用蒸汽或在较高的温度蒸煮时，可以通过在开始使用较少的水来保存能量。此外，通过使用大量的水来促进快速滚动沸腾，提高了至醇的转化率。因此，存在正在发生的对提高醇制备系统的效率的技术的需求。
概述
本公开内容的一个方面涉及一种制备系统，所述制备系统包括：电解池，所述电解池配置为电化学活化所接收到的液体；浆液蒸煮器，所述浆液蒸煮器配置为将电化学活化液体与原料颗粒混合以形成浆液；发酵容器，所述发酵容器配置为接收处于水解状态的浆液并且从所述水解的浆液制备液体混合物，其中所述液体混合物包括水和醇；和蒸馏组件，所述蒸馏组件配置为将所述液体混合物的醇的至少一部分与所述液体混合物的水分离。
本公开内容的另一个方面涉及一种用于制备醇产物的方法。所述方法包括：在浆液蒸煮器中加热电化学活化液体和原料颗粒以形成浆液，在所述浆液中，电化学活化液体至少部分地溶剂化原料颗粒。该方法还包括：水解浆液，将水解的浆液发酵以形成包含水和醇的液体混合物，和在蒸馏组件中将所述液体混合物的醇与所述液体混合物的水分离。
本公开内容的再一个方面涉及一种用于制备醇产物的方法。该方法包括电化学活化包含水和醇的液体混合物，将电化学活化液体混合物进料到蒸馏组件中，和在蒸馏组件中将电化学活化液体混合物的醇与电化学活化液体混合物的水分离。
附图简述
图1是用于使用电化学活化液体制备醇的制备系统的示意图。
图2是用于使用电化学活化液体，并且另外使用电化学活化的醇/水混合物制备醇的备选制备系统的示意图。
图3是制备系统的电解池的示意图，其中所述电解池具有拥有离子交换膜的双室布置。
图4是制备系统的备选电解池的示意图，其中所述备选电解池包括没有离子交换膜的单室布置。
图5是用于使用电化学活化液体制备醇的方法的流程图。
图6是用于使用电化学活化液体，并且使用电化学活化的醇/水混合物制备醇的方法的流程图。
详细描述
本公开内容的一个方面涉及用于使用以碱性液体、酸性液体、或碱性和酸性物种的混合组合的形式的电化学活化液体制备醇例如乙醇(CH3CH2OH)的系统和方法。电化学活化液体可以用于醇制备中的一个或多个阶段，并且特别适于与原料颗粒一起产生用于水解反应和发酵的浆液。在理解可以使用多种不同液体的情况下，下列讨论集中于用于制备醇例如乙醇的水和电化学活化水的使用。
图1是制备系统10的示意图，其图示用于使用电化学活化水制备醇(例如，乙醇)的本公开内容的一个方面。如所显示的，制备系统10包括电解池12、原料磨机14、浆液蒸煮器16、发酵罐18、固体/液体(S/L)分离器20、蒸馏组件22，和收集罐24。图1中所示的制备系统10的图示为了容易讨论而简化，并且制备系统10还适宜地包括多种另外的处理和调节部件，例如流体和气体泵、过滤器、换热器、阀组件、工艺传感器(例如，热电偶)、过程-控制机构，等。
电解池12是适于跨过在至少一个阳极电极和至少一个阴极电极之间的水(或其它液体)施加电场的流体处理池。适用于电解池12的池可以具有任意合适数目的电极以及任意合适数目的用于容纳水的室。如以下所讨论的，电解池12可以包括在阳极和阴极之间的一个或多个离子交换膜，或可以配置为没有离子交换膜。电解池12可以具有多种不同结构，例如但不限于在于2007年8月16日出版的Field等的美国专利公布2007/0186368中公开的那些。在一个备选实施方案中，制备系统10可以包括多个电解池12，其以串联和/或并联布置运行以将水电化学活化。在另外的备选实施方案中，可以从一个或多个外部源(例如，一个或多个外部电解池)将水电化学活化。
水通过入口管线26供给到电解池12中，所述入口管线26相应地从进料管线28和再循环管线30接收水。进料管线28是从供给源(未示出)提供淡水的水管线，而再循环管线32是来自蒸馏组件22的水管线。来自进料管线28和再循环管线30的水流汇聚，以将水供给到入口管线26。在一个实施方案中，水可以作为分开的流流过电解池12。例如，如图1中所示，入口管线26可以分成一对水管线，从而在进入电解池12中之前将水分成子流(sub-streams)。备选地，水可以在进入电解池12以后分开。当水流过电解池12时，跨过电解池12中的水施加的电场将水电化学活化，其通过在电路的一侧收集正离子(即，阳离子，H+)并且在相对侧收集负离子(即，阴离子，OH-)而将水分离。具有阳离子的水因而被给予酸性，而具有阴离子的水相应地被给予碱性。在备选的实施方案中，水可以作为单一流直接从入口管线26进入电解池12。
电解过程还可能产生气相泡沫(gas-phase bubble)，其中所述气相泡沫的尺寸可以根据多种因素而改变，所述多种因素例如通过电解池12的压力以及电化学活化的程度。相应地，气相泡沫可以具有多种不同尺寸，包括但不限于，大泡沫、微泡沫、纳米泡沫，和它们的混合物。在包括大泡沫的实施方案中，对于产生的泡沫合适的平均泡沫直径的实例包括在约500微米至约1毫米的范围内的直径。在包括微泡沫的实施方案中，对于产生的泡沫合适的平均泡沫直径的实例包括在约1微米至小于约500微米的范围内的直径。在包括纳米泡沫的实施方案中，对于产生的泡沫合适的平均泡沫直径的实例包括小于约1微米的直径，并且特别合适的平均泡沫直径包括小于约500纳米的直径，并且再更特别合适的平均泡沫直径包括小于约100纳米的直径。
电解过程还通过将水破碎成可以比正常水有效得多地穿透细胞的较小单元而重构水。例如，大部分自来水和瓶装水由未结构化的(unstructured)水分子的大的聚集体构成，其过大，以至于不能有效率地移动到细胞中。然而，电化学活化水是结构化的(structured)水，其以用于更好的养分吸收和更有效的废物移除的快得多的速率穿透细胞。较小的水单元还具有对于代谢过程的效率的积极效果。
如在图1中进一步显示的，产生的电化学活化水的流可以通过分开的水管线(称为出口管线32和34)离开电解池12。出口管线32将电解池12和浆液蒸煮器16互连，从而将所需的水产物流从电解池12导引到浆液蒸煮器16。出口管线34是不需要的水产物流的排放管线，并且可以被丢弃或再循环。在一个实施方案中，被给予酸性的水作为所需水产物流通过出口管线32离开电解池12。产生的酸性水缺乏电子(即，氧化水)并且具有高的氧化还原电势。因而，酸性水可以起到抗菌剂、抗微生物剂和/或抗真菌剂的作用。在此实施方案中，被给予碱性的水作为不需要的水产物流通过出口管线34离开电解池12。
在一个备选实施方案中，被给予碱性的水作为所需水产物流通过出口管线32离开电解池12。产生的碱性水具有大量电子(即，还原水)，并且具有以有效的速率中和自由基的能力。在此实施方案中，被给予酸性的水作为不需要的水产物流通过出口管线34离开电解池12。在一个另外的备选实施方案中，将被给予酸性的水和被给予碱性的水再合并，并且作为所需水产物流通过出口管线32离开电解池12。如以下所讨论的，尽管被再合并，但是酸性水和碱性水保持它们的离子性质和气相泡沫历时足以辅助在浆液蒸煮器16中形成浆液的持续时间。在此实施方案中，可以省略出口管线34。
原料磨机14包括配置为将接收到的原料磨制成用于在浆液蒸煮器16中使用的精细粉末颗粒的一个或多个机构。谷物磨机14可以具有用于磨制原料的多种不同构造(例如，锤磨机)。适合于在制备醇中使用的原料包括含有下列各项的材料：糖(例如，制糖甜菜、糖甘蔗、甜高粱和成熟水果)、淀粉(例如，谷物、马铃薯和洋姜)、可以容易地转化成可发酵糖的纤维素(例如，禾茎、草和木材)，以及它们的组合。特别合适的原料的实例包括含有多糖碳水化合物淀粉(C6H10O5)n例如直链淀粉-支链淀粉-基淀粉的材料。原料磨机14将原料颗粒磨制成适合于将原料颗粒悬浮在电化学活化水中(在浆液蒸煮器16内)的粒度。在磨制以后，经由输送管线36将产生的原料颗粒传送到浆液蒸煮器16。
浆液蒸煮器16包括一个或多个罐，在所述一个或多个罐中，将原料颗粒与电化学活化水和一种或多种酶(例如，α-淀粉酶类)混合，以制备用于水解反应的原料颗粒。还可以向混合物中加入另外的材料(例如，pH改性剂)。原料颗粒与电化学活化水的合适比率可以根据多种因素而改变，例如使用的原料的类型、使用的酶的类型、蒸煮温度、和蒸煮持续时间。原料颗粒与电化学活化水的合适比率的实例在约2∶1至约10∶1的范围内，并且特别合适的比率在约4∶1至约8∶1的范围内。适宜地将产生的浆液加热合适的持续时间，以达到用于随后处理的适宜粘度。适合于蒸煮工序的高温在约77℃(约170°F)至约93℃(约200°F)的范围内，并且特别合适的高温在约82℃(约180°F)至约88℃(约190°F)的范围内。适合于蒸煮工序的持续时间在约15分钟至约2小时的范围内，并且特别合适的持续时间在约30分钟至约1小时的范围内。
电化学活化水中的阳离子和/或阴离子帮助在液体介质中至少部分地溶剂化原料颗粒和酶。水的阳离子和/或阴离子至少部分地与原料颗粒和酶的各种分子缔合，从而将原料颗粒悬浮在液体介质中。例如，阳离子和/或阴离子可以与淀粉链的直链淀粉和支链淀粉组分的羟基(-OH)形成离子键。这对于防止原料颗粒沉降是有利的，否则所述原料颗粒沉降可能降低与酶混合的均匀性。这可能相应地减小在随后的水解反应过程中的转化百分率。原料颗粒的沉降还可能不适宜地引起原料颗粒沿浆液蒸煮器16的壁集中，这可能降低制备系统10中的原料效率，并且可能潜在地阻塞在蒸煮工序完成以后来自浆液蒸煮器16的产生的浆液的通路。在一个实施方案中，还在蒸煮工序的过程中搅动浆液，以进一步帮助将原料颗粒悬浮在液体介质中，并且防止浆液中热点(hot spots)的形成，否则所述热点可能烧焦原料颗粒。
在蒸煮工序完成以后，将产生的浆液冷却以诱导水解反应。在一个实施方案中，浆液蒸煮器16配置为还起到冷却换热器的作用，以将浆液快速冷却下来。在备选实施方案中，可以将浆液从浆液蒸煮器16转移到分开的冷却单元(例如，闪蒸冷凝器，未示出)。还可以经由出口管线32添加另外的电化学活化水以帮助冷却蒸煮的浆液。
在一个实施方案中，在冷却以后，将浆液再加热充分的持续时间以允许酶将淀粉破碎成较小的链(例如葡萄糖和糊精)。适合于水解反应的再加热温度在约77℃(约170°F)至约93℃(约200°F)的范围内，并且特别适合的高温在约82℃(约180°F)至约88℃(约190°F)的范围内。适合于水解反应的持续时间在约30分钟至约4小时的范围内，并且特别优选的持续时间在约1小时至约2小时的范围内。在水解反应完成以后，将产生的水解浆液(即，糊料)经由转移管线38运送到发酵罐18。
发酵罐18包括一个或多个容器，其配置为允许使用一种或多种酶(例如，葡糖淀粉酶)将水解浆液进一步破碎成单糖。引入到发酵罐18中的酵母然后将单糖破碎成乙醇和二氧化碳，其中二氧化碳可以通过排放管线40从发酵罐18排放。适合于发酵工序的持续时间在约50小时至约75小时的范围内。然后所产生的醇/水混合物与固体(例如，谷物和酵母残余物)一起经由输送管线42转移到S/L分离器20。
S/L分离器20包括配置为从所需的醇/水混合物分离固体的一个或多个分离器单元。适用于S/L分离器20的分离器单元可以结合多种分离技术，并且可以包括离心机、旋转筛、用钻头(augurs)冲孔的管筒，和它们的组合。分离的固体可以经由排放管线44离开S/L分离器20，并且可以为了其它用途(例如，动物饲料)而收集。所需的醇/水混合物通过流体管线46运送到蒸馏组件22。
蒸馏组件22包括一个或多个蒸馏塔(例如，塔48)，以及一个或多个冷凝器和再沸器(例如，冷凝器50和再沸器52)，并且配置为将水与所需的醇分离。适用于塔48的蒸馏塔的实例包括填充塔、孔板塔、泡罩塔，以及它们的组合。如所显示的，醇/水混合物适宜地在浓缩段和汽提段之间的中点位置进入塔52。由于水和醇各自具有固定的蒸发速率，其随着热而改变并且由在密闭容器中产生以实现与流体平衡的蒸汽压确定，因此通过控制对混合物施加的热可以将醇与水分离。醇的蒸汽压高于水的蒸汽压，因此在水的蒸汽压达到与大气压的平衡之前，醇的蒸汽压达到与大气压的平衡。然而，在将水和醇混合时，该组合的沸点落在分开的成分的沸点(即，水在100℃沸腾，而乙醇在78.3℃沸腾)之间。水与醇的比率也确定混合物沸腾的实际温度。醇的浓度越高则沸点越低，反之亦然。这样，混合物的温度将在整个蒸馏运行(run)过程中随着醇被排除而升高。
由于醇具有比水更高的蒸汽压，因此通过使所述两者的组合沸腾而释放出的蒸汽将具有不成比例地大部分的醇。例如，在具有10体积％的乙醇和90体积％的水的混合物中，释放的蒸汽将为约80体积％的醇。为了增加醇的百分比，使用冷凝器50和再沸器52将蒸汽冷凝并且再蒸发。每一次再蒸发增大所述批次的醇浓度，直至液体达到共沸极限。
在塔22的顶部和冷凝器50收集到的所需的醇(例如，乙醇)然后可以通过流体管线54转移到贮存容器24。在一个实施方案中，所需的醇还可以通过分子筛，以移除由于共沸极限而保留的水。在塔22的底部和再沸器52收集的分离的水然后可以经由排放管线56排放和/或经由再循环管线30再循环。如以上所讨论的，电化学活化水的使用增进了原料颗粒的悬浮，从而增加水解浆液成为醇的转化率。这相应地减少了制备醇所需的原料的量。
图2是制备系统110的示意图，其是制备系统10(图1中所示)的备选物，并且其中关于各个部件的附图标记增加“100”。如图2中所示，制备系统110以与制备系统10相同的方式起作用，以使用在电解池112中产生的电化学活化水制备醇(例如，乙醇)。另外，制备系统110还包括布置在S/L分离器120和蒸馏组件122之间的电解池158。电解池158是适于跨过在至少一个阳极电极和至少一个阴极电极之间的醇/水混合物施加电场的第二流体处理池。因此，电解池158可以以与电解池12(图1中所示)相同的方式起作用，并且适用于电解池158的设计包括以上对于电解池12所讨论的那些。
醇/水混合物通过流体管线146供给到电解池158。在一个实施方案中，醇/水混合物可以作为分开的流流过电解池158。例如，如图2中所示，流体管线146可以分成一对流体管线，从而在进入电解池158之前将醇/水混合物分离成子流。备选地，醇/水混合物可以在进入电解池158以后分离。当醇/水混合物流过电解池158时，跨过电解池158中的醇/水混合物所施加的电场将醇/水混合物电化学活化，其通过在电路的一侧收集阳离子并且在相对侧收集阴离子而分离醇/水混合物。在备选的实施方案中，醇/水混合物可以作为单一流直接从入口管线126进入电解池158。
电解过程还适宜地产生气相泡沫，其中所述气相泡沫的尺寸可以根据多种因素而改变，所述多种因素例如通过电解池158的压力以及电化学活化的程度。相应地，气相泡沫可以具有多种不同尺寸，包括但不限于，大泡沫、微泡沫、纳米泡沫，和它们的混合物。在包括大泡沫的实施方案中，对于产生的泡沫合适的平均泡沫直径的实例包括在约500微米至约1毫米的范围内的直径。在包括微泡沫的实施方案中，对于产生的泡沫合适的平均泡沫直径的实例包括在约1微米至小于约500微米的范围内的直径。在包括纳米泡沫的实施方案中，对于产生的泡沫合适的平均泡沫直径的实例包括小于约1微米的直径，并且特别合适的平均泡沫直径包括小于约500纳米的直径，并且再更特别合适的平均泡沫直径包括小于约100纳米的直径。
然后可以将电化学活化的醇/水混合物合并并且经由流体管线160导引至蒸馏组件122。归因于醇的较高挥发度，气相泡沫适宜地包括高浓度的醇，从而增加蒸馏组件122中的醇和水的分离速率。这通过减少将醇与水分离所需的持续时间和能量而提高了运行蒸馏组件122的效率。
图3是电解池158的示意图，其还是适用于电解池12(图1中所示)和电解池112(图2中所示)的设计。如图3中所示，电解池158包括膜162，其将电解池158分成阳极室164和阴极室166。尽管在图3中将电解池158示出为具有单个阳极室和单个阴极室，但是电解池158可以备选地包括多个由一个或多个膜162分开的阳极室和阴极室。
膜162是离子交换膜，例如阳离子交换膜(即，质子交换膜)或阴离子交换膜。适用于膜162的阳离子交换膜包括部分或完全氟化的离聚物、多芳基(polyaromatic)离聚物、以及它们的组合。适用于膜162的可商购离聚物的实例包括：可以商标“NAFION”购自特拉华Wilmington的E.I.du Pontde Nemours and Company的磺化四氟乙烯共聚物；可以商标“FLEMION”购自日本Asahi Glass Co.，Ltd.的全氟化羧酸离聚物；可以商标“ACIPLEX”Aciplex购自日本Asahi Chemical Industries Co.Ltd.的全氟化磺酸离聚物；和它们的组合。
阳极室164和阴极室166分别包括阳极电极168和阴极电极170，其中膜162布置在阳极电极168和阴极电极170之间。阳极电极168和阴极电极170可以由任何合适的导电材料例如钛制成，并且可以涂敷有一种或多种贵金属(例如，铂)。阳极电极168和阴极电极170各自还可以表现出多种不同的几何设计和构造，例如平板、共轴板(例如，用于管状电解池)、棒，和它们的组合；并且可以具有实心构造，或可以具有一个或多个孔(例如，金属网(metallic meshes))。尽管阳极室164和阴极室166各自示出为具有单个阳极电极168和阴极电极170，但是阳极室164可以包括多个阳极电极168，并且阴极室166可以包括多个阴极电极170。
阳极电极168和阴极电极170可以电连接到常规电源(未示出)的相对端(opposing terminals)。电源可以对电解池158向阳极电极168和阴极电极170提供恒定的直流(DC)输出电压、脉冲或以其它方式调制的DC输出电压、或脉冲或以其它方式调制的AC输出电压。电源可以具有任何合适的输出电压水平、电流水平、负载循环或波形。在一个实施方案中，电源以相对稳定的状态对阳极电极168和阴极电极170施加电压。电源包括DC/DC转换器，其使用脉冲-宽度调制(PWM)控制方案控制电压和电流输出。还可以使用其它类型的电源，其可以是脉冲的或不是脉冲的，并且处于其它的电压和功率范围。参数是对于应用特定的。阳极电极168和阴极电极170的极性还可以在操作过程中反转，以移除可能在阳极电极168和阴极电极170上形成的任何污垢。
在操作过程中，将醇/水混合物从作为流体管线146的分开的路径的进料入口146a和146b供给到电解池158。流过进料入口146a的醇/水混合物流到阳极室164中，并且流过进料入口146b的醇/水混合物流到阴极室166中。施加电压电势以将流过阳极室164和阴极室166的醇/水混合物电化学活化。例如，在其中膜162是阳离子交换膜的一个实施方案中，跨过阳极电极168和阴极电极170施加合适的电压(例如，DC电压)电势。在电解池158内的任何位置所需的实际电势可以由醇/水混合物的局部组成确定。另外，适宜地跨过阳极电极168和阴极电极170施加较大的电势差(即，超电势)，以提供显著的反应速率。铂-基电极典型地需要将电极之间的电势差增加约半伏特。另外，为了驱动电流通过电解池158，另外的电势是适宜的。对于电解池158合适的施加电压电势的实例在约1伏特至约40伏特的范围内，并且特别合适的电压在约5伏特至约25伏特的范围内，并且再更特别合适的电压在约10伏特至约20伏特的范围内。
通过跨过阳极电极168和阴极电极170施加电压电势，在阳极室164的醇/水混合物中产生的阳离子(例如H+)跨过膜162朝向阴极电极170转移，同时在阳极室164的醇/水混合物中产生的阴离子(例如，OH-)朝向阳极电极168移动。类似地，在阴极室166的醇/水混合物中产生的阳离子(例如H+)也朝向阴极电极170移动，并且在阴极室166的醇/水混合物中产生的阴离子(例如，OH-)尝试朝向阳极电极168移动。然而，膜162防止阴极室166中存在的阴离子的转移。因此，阴离子保持限定在阴极室166内。
在电解继续的同时，醇/水混合物中的阴离子在阳极电极168处与金属原子(例如，铂原子)结合，而醇/水混合物中的阳离子(例如，氢)在阴极电极170处与金属原子(例如，铂原子)结合。这些结合的原子在各个电极的表面上以二维方式在周围扩散，直至它们参与另外的反应。其它的原子和多原子基团也可以类似地结合到阳极电极168和阴极电极170的表面上，并且也可以随后进行反应。在表面产生的分子例如氧(O2)和氢(H2)可以作为气体进入到醇/水混合物的液相中的小的空穴(即，泡沫)中，和/或可以被醇/水混合物的液相溶剂化。如以上所讨论的，归因于醇的较高挥发度(相对于水的挥发度)，气相泡沫适宜地包含高浓度的醇，从而增加在蒸馏组件122中的醇和水的分离速率。
在气液界面的表面张力由离开阳极电极168和阴极电极170的表面指向的分子之间的吸引所产生，因为与表面分子受到在电极表面的气体分子吸引相比，表面分子更加受到在醇/水混合物内的分子吸引。相反，醇/水混合物的本体的分子在所有方向上等同地受吸引。因而，为了增加可能的相互作用能，表面张力引起在电极表面的分子进入到液体本体中。
在其中产生气相纳米泡沫的实施方案中，还据信不论纳米泡沫的小的直径，纳米泡沫(即，具有小于约1微米的直径的泡沫)中含有的气体在液相醇/水混合物中稳定相当的持续时间。尽管不希望受理论束缚，但是据信，当气体泡沫的弯曲表面接近分子尺寸时，在气/液界面的醇/水混合物的表面张力下降。这减小了纳米泡沫散逸的自然趋势。
此外，纳米泡沫气/液界面归因于跨过膜162施加的电压电势而带电荷。电荷引入了与表面张力相反的力，其也减慢或防止纳米泡沫的散逸。同样电荷在界面处的存在减小表观表面张力，并且电荷推斥在与归因于表面张力的表面最小化相反的方向上起作用。任何效果都可以通过有利于气/液界面的另外的带电荷材料的存在而增加。
气/液界面的自然态表现为负电性的。具有低的表面电荷密度和/或高的极化性的其它离子(例如Cl-、ClO-、HO2 -和O2 -)也有利于气/液界面，水合电子也一样。水性自由基也优选位于这样的界面处。因而，据信存在于阴极电解液(即，流过阴极室166的子流)中的纳米泡沫是带负电荷的，但是在阳极电解液(即，流过阳极室164的子流)中的那些纳米泡沫将拥有很少电荷(过量的阳离子抵偿了自然的负电荷)。因此，阴极电解液纳米泡沫当在流体管线160的汇聚点(图2中所示)处与阳极电解液子流混合时不大可能失去它们的电荷，而是另外稳定比流体管线160内的电化学活化的醇/水混合物的停留时间更长的持续时间。
另外，归因于阴极上的过量电势，气体分子可能在纳米泡沫内变得带电荷(例如，O2 -)，从而增加纳米泡沫的总电荷。在带电荷的纳米泡沫的气/液界面的表面张力可以相对于未带电荷的纳米泡沫减小，并且它们的尺寸得以稳定。这可以定性地意识到，因为表面张力引起表面最小化，而带电荷的表面趋于扩张以使类似电荷之间的推斥最小化。归因于超过电解所需的功率损耗的过量功率损耗而在电极表面处升高的温度，也可能通过降低局部气体溶解度而增加纳米泡沫形成。
由于相同电荷之间的推斥力根据它们分开距离的平方而相反地增加，因此当泡沫直径减小时，存在增加的向外压力。电荷的作用是减小表面张力的作用，表面张力趋于减小表面，而表面电荷趋于使其扩张。因而，在这些相反的力相等时达到平衡。例如，假定在气体泡沫(半径r)的内表面上的表面电荷密度为Φ(e-/米2)，向外压力(“P向外”)可以通过解答以下给出的纳维司托克斯(NavierStokes)方程式得到：
P向外＝Φ2/2Dε0    (方程式1)
其中D为气体泡沫的相对介电常数(假定为1(unity))，“ε0”是真空的电容率(即，8.854pF/米)。归因于对气体的表面张力的向内压力(“P向内”)为：
P向内＝2g/r P向外    (方程式2)
其中“g”为表面张力(在25℃为0.07198焦耳/米2)。因此，如果这些压力相等，则气体泡沫的半径为：
r＝0.28792ε0/Φ2.        (方程式3)
因此，对于5纳米、10纳米、20纳米、50纳米和100纳米的纳米泡沫直径，对于零过量内压力计算的电荷密度分别为0.20、0.14、0.10、0.06和0.04e-/纳米2泡沫表面积。这样的电荷密度可使用电解池24容易地得到。纳米泡沫半径随着泡沫上的总电荷增加2/3次方增大。在这些处于平衡的情形下，在纳米泡沫表面的醇/水混合物的有效表面张力为零，并且带电荷的气体在泡沫中的存在增大了稳定的纳米泡沫的尺寸。将不显示泡沫尺寸的进一步减小，因为它将导致内压力降至低于大气压的减小。
在电解池158内的各种情况中，纳米泡沫可以由于表面电荷而分成还更加小的泡沫。例如，假定半径为“r”和总电荷为“q”的泡沫分成两个相同体积和电荷的泡沫(半径r1/2＝r/21/3，和电荷q1/2＝q/2)，并且忽略泡沫之间的库仑相互作用，则归因于表面张力(ΔEST)和表面电荷(ΔEq)的能量变化的计算提供了：
ΔEST＝+2(4πγr1/2 2)-4πγr2＝4πγr2(21/3-1)    (方程式3)
和
Figure G2008800246659D00131
(方程式4)
如果总能量变化为负，则泡沫是亚稳态的，其在ΔEST+ΔEq为负时出现，从而提供了：
(方程式5)
其提供了半径和电荷密度(Φ)之间的关系：
Figure G2008800246659D00133
(方程式6)
因此，对于5纳米、10纳米、20纳米、50纳米和100纳米的纳米泡沫直径，对于泡沫分裂计算的电荷密度分别为0.12、0.08、0.06、0.04和0.03e-/纳米2泡沫表面积。对于相同的表面电荷密度，将表观表面张力减小至零的泡沫直径典型地比将泡沫分裂为两个的泡沫直径大约3倍。因而，纳米泡沫通常将不分开，除非存在另外的能量输入。
含有气相泡沫(例如，大泡沫、微泡沫和纳米泡沫)的电化学活化的醇/水混合物经由进料出口160a和160b离开电解池158，并且子流在进入蒸馏组件148之前在流体管线160处再次汇聚。尽管将阳极电解液和阴极电解液燃料(fuels)在进入蒸馏组件148之前混合，但是它们最初不处于平衡并且暂时保持它们的电化学活化状态。因此，电化学活化的醇/水混合物含有分散/悬浮在液相醇/水混合物中的气相泡沫，这提高了蒸馏组件122内的醇/水混合物的分离效率。
图4是电解池172的示意图，其是对于池158(图2和3中所示)的备选电解池的实施例，其用于在不使用离子交换膜的条件下将流过流体管线146的醇/水混合物电化学活化。电解池172还是适合于用于在浆液蒸煮器16(图1中所示)和浆液蒸煮器116(图2中所示)中将水电化学活化的电解池12(图1中所示)和电解池112(图2中所示)的备选设计。
如图4中所示，电解池172可以直接与流体管线146和160接合，并且包括反应室174、阳极电极176和阴极电极178。反应室174可以由电解池172的壁限定，由其中放置阳极电极176和阴极电极178的容器或管道的壁限定，或由阳极电极176和阴极电极178本身限定。适合于阳极电极176和阴极电极178的材料和构造包括以上关于阳极电极168和阴极电极170(图3中所示)所讨论的那些。
在操作过程中，将醇/水混合物经由进料管线146引入到反应室174中，并且跨过阳极电极176和阴极电极178施加电压电势。这将醇/水混合物电化学活化，其中在阳极电极176和阴极电极178附近或与阳极电极176和阴极电极178接触的醇/水混合物的部分以与以上关于电解池158所讨论的相同的方式产生气相泡沫。因而，流过电解池172的醇/水混合物含有分散或另外悬浮在液相醇/水混合物中的气相泡沫。然而，与电解池158相比，电化学活化的醇/水混合物在整个电解工序的过程中被混合，而非在电解池上游或在电解池内被分开，然后在电解池下游或在电解池内被再次汇聚。因此，得到的电化学活化的醇/水混合物含有分散/悬浮在液相醇/水混合物中的气相泡沫，如以上所讨论的，这提高了蒸馏组件122内的醇/水混合物的分离效率。
图5是用于使用醇制备系统例如制备系统10(图1中所示)制备醇(例如，乙醇)的方法180的流程图。方法180包括步骤182-194，并且最初包括将原料磨制成用于浆液蒸煮器的精细粉末颗粒(步骤182)。然后向电解池供给一个或多个水流，并且在水流流过电解池的同时，跨过阳极和阴极电极并且对所述流施加电压电势(步骤184)。如以上所讨论的，这将水电化学活化。
然后将电化学活化水与磨制原料组合以形成浆液，并且在浆液蒸煮器中蒸煮浆液(步骤186)。电化学活化水中的阳离子和/或阴离子帮助在液体介质中至少部分地溶剂化原料颗粒和酶，从而将原料颗粒悬浮在液体介质中。这对于防止原料颗粒沉降是有利的，否则所述原料颗粒沉降可能降低与酶混合的均匀性，并且降低在随后的水解反应过程中的转化百分率。在蒸煮工序完成以后，将蒸煮的浆液水解以将原料(例如，淀粉)破碎成较小的链(例如葡萄糖和糊精)(步骤188)，然后将水解的浆液发酵合适的持续时间以将水解的浆液转化成醇(例如，乙醇)(步骤190)。
在发酵工序完成以后，适宜地将产生的醇/水混合物与残余固体分离(步骤192)，并且蒸馏醇/水混合物以至少部分地将醇与水分离(步骤194)。如以上所讨论的，将水电化学活化增进原料颗粒的悬浮，从而提高将水解的浆液转化成醇的速率。这相应地减少了制备醇所需的原料的量。图6是用于使用醇制备系统例如制备系统110(图2中所示)制备醇(例如，乙醇)的方法196的流程图。方法196包括步骤198-212，其中步骤198-208可以以与以上关于方法180的步骤182-192(图5中所示)所讨论的相同方式进行。与方法180相比，方法196还包括在将混合物进料到蒸馏组件之前，将醇/水混合物的一个或多个流供给到电解池。在醇/水混合物流流过电解池的同时，跨过阳极和阴极电极并且对所述流施加电压电势(步骤210)。这将醇/水混合物电化学活化，并且适宜地产生气相泡沫。然后蒸馏所产生的电化学活化的醇/水混合物以至少部分地将醇与水分离(步骤212)。如以上所讨论的，电化学活化的醇/水混合物提高蒸馏组件内的醇/水混合物的分离效率，从而提高蒸馏组件的操作效率。
尽管参考优选实施方案描述了本发明，但是本领域熟练工人将意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的变化。

Claims (20)

1.一种制备系统，其包括：
电解池，所述电解池配置为接收液体，并且电化学活化所述接收到的液体；
浆液蒸煮器，所述浆液蒸煮器配置为接收所述电化学活化液体和原料颗粒，并且将所述电化学活化液体与所述原料颗粒混合以形成浆液；
发酵容器，所述发酵容器配置为接收处于水解状态的所述浆液，并且从所述水解的浆液制备液体混合物，所述液体混合物包含水和醇；和
蒸馏组件，所述蒸馏组件配置为接收所述液体混合物，并且将所述液体混合物的醇的至少一部分与所述液体混合物的水分离。
2.根据权利要求1所述的制备系统，其中所述电解池包括：
室；
阳极电极，所述阳极电极布置在所述室内，并且配置为与电源电连接；和
阴极电极，所述阴极电极布置在所述室内，并且配置为与所述电源电连接。
3.根据权利要求2所述的制备系统，其中所述电解池还包括布置在所述阳极电极和所述阴极电极之间的离子交换膜。
4.根据权利要求1所述的制备系统，所述制备系统还包括：
第一出口管线，其与所述电解池和所述浆液蒸煮器互连，并且配置为将所述电化学活化液体的第一部分从所述电解池导引到所述浆液蒸煮器；和
第二出口管线，其从所述电解池延伸，并且配置为导引所述电化学活化液体的第二部分离开所述电解池。
5.根据权利要求4所述的制备系统，其中所述电化学活化液体的所述第一部分选自由碱性水和酸性水组成的组。
6.根据权利要求1所述的制备系统，其中所述电解池为第一电解池，并且其中所述制备系统还包括第二电解池。
7.根据权利要求6所述的制备系统，其中所述第二电解池配置为电化学活化所述液体混合物，所述电化学活化液体混合物是由所述蒸馏组件接收的所述液体混合物。
8.一种用于制备醇产物的方法，所述方法包括：
在浆液蒸煮器中加热电化学活化液体和原料颗粒以形成浆液，其中所述电化学活化液体至少部分地溶剂化所述原料颗粒；
水解所述浆液；
发酵所述水解的浆液以形成包含水和醇的液体混合物；
将所述液体混合物进料到蒸馏组件中；和
在所述蒸馏组件中将所述进料的液体混合物的所述醇与所述进料的液体混合物的所述水分离。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括：
将进料液体引入到电解池中，所述电解池具有至少一个阴极电极和至少一个阳极电极；和
跨过所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极施加电压电势，以从所述进料液体产生所述电化学活化液体。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：用布置在所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极之间的至少一个离子交换膜保持所述进料液体的至少两部分的分离。
11.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括：在将所述液体混合物进料到所述蒸馏组件之前，电化学活化所述液体混合物。
12.根据权利要求11所述的方法，其中电化学活化所述液体混合物包括：
将所述液体混合物引入到电解池中，所述电解池具有至少一个阴极电极和至少一个阳极电极；和
跨过所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极施加电压电势，以电化学活化所述液体混合物。
13.根据权利要求11所述的方法，其中电化学活化所述液体混合物包括在所述液体混合物中产生气相泡沫。
14.一种用于制备醇产物的方法，所述方法包括：
电化学活化包含水和醇的液体混合物；
将所述电化学活化液体混合物进料到蒸馏组件；和
在所述蒸馏组件中将所述电化学活化液体混合物的所述醇与所述电化学活化液体混合物的所述水分离。
15.根据权利要求14所述的方法，其中电化学活化所述液体混合物包括：
将所述液体混合物引入到电解池中，所述电解池具有至少一个阴极电极和至少一个阳极电极；和
跨过所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极施加电压电势，以从所述液体混合物产生所述电化学活化液体混合物。
16.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括在所述电解池内用离子交换膜保持阳极室和阴极室的分离。
17.根据权利要求14所述的方法，其中电化学活化所述液体混合物包括：
将液体混合物的第一部分引入到电解池的阳极室中；
将所述液体混合物的第二部分引入到所述电解池的阴极室中；和
跨过所述液体混合物的所述第一和第二部分施加电压电势，以电化学活化所述液体混合物的所述第一和第二部分。
18.根据权利要求14所述的方法，其中电化学活化所述液体混合物包括在所述液体混合物中产生气相泡沫。
19.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括：
在浆液蒸煮器中加热进料液体和原料颗粒以形成浆液，其中所述进料液体至少部分地溶剂化所述原料颗粒；
水解所述浆液；和
发酵所述水解的浆液以形成所述液体混合物。
20.根据权利要求19所述的方法，其中发酵所述水解的浆液还形成残余固体，并且其中所述方法还包括：在电化学活化所述液体混合物之前，至少部分地将所述液体混合物与所述残余固体分离。
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