CN109414627A - 用于从发酵生物质中分离乙醇的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于从发酵生物质中分离乙醇的方法。将富含乙醇的发酵生物质直接用作蒸馏塔中的填充材料，并且使用所述塔底部处的少量水来有效地将热量传递至所述塔底部处的生物质。所述发酵生物质填料具有高的表面积与体积比，形成有效的填充材料。当蒸气在所述生物质上冷凝时，乙醇/水蒸气从所述生物质主体的扩散使乙醇浓度在所述生物质表面处富集。含有较低浓度乙醇的液滴从所述生物质向下滴落，并且含有较高浓度乙醇的蒸气从所述生物质向上升起，导致与最初在所述生物质中的乙醇浓度相比所述塔顶部处的更高乙醇浓度。

Description

用于从发酵生物质中分离乙醇的方法和设备
优先权数据
本国际专利申请要求于2017年3月30日提交的美国临时专利申请号62/478,619和2018年2月19日提交的美国专利申请号15/898,744的优先权，这些专利中的每一个特此通过引用结合在此。
技术领域
本发明涉及用于从发酵生物质中分离乙醇的方法和设备。
背景技术
存在许多用于发酵生物质以产生富含乙醇的生物质的有用技术。这通常被称为“固态发酵”。
美国专利号4,490,469描述了用于通过发酵生产乙醇的方法。此专利传授了将生物质压碎或浆化至小于10mm的浆料大小，任选地用酸或酶糖化所述浆料，将酵母悬浮液与所述浆料混合，等待发酵完成，并且然后通过从所述浆料压榨或挤压液体以产生富含乙醇的液体来分离乙醇。
美国专利号9,428,772描述了用于从富含碳水化合物的底物生产发酵产物的方法和系统。此专利传授了使用真空循环将水解催化剂和发酵生物体注入到木质纤维素生物质中，等待发酵完成，并且通过真空汽提分离乙醇。
美国专利号9,499,839描述了用于发酵富含碳水化合物的作物的方法。此专利传授了将发酵生物体注入到富含糖的生物质中，从所述生物质中排放出多余液体，等待发酵完成，并且通过真空汽提或压碎分离乙醇。
美国专利号9,631,209描述了用于发酵禾本科秸秆的方法。此专利传授了在将秸秆浸没在含有酵母的水中时在辊之间压碎秸秆，从秸秆中排放出多余液体，等待发酵完成，并且通过真空汽提或压碎分离乙醇。
用于生产乙醇的这些和许多其他固态发酵方法都具有以下缺点：压碎、压榨、或挤压通常仅从生物质中回收约50％的乙醇，并且真空汽提不是非常有用，因为产生的乙醇通常仅含有约30％至40％酒精体积分数(ABV)。
虽然存在许多国家(其中存在对30％至40％ABV的饮用乙醇(例如巴西的卡莎萨印度的土产酒(country liquor)、中国的白酒、和俄罗斯的伏特加酒)的稳健市场)，但是存在将乙醇用于发电机、内燃机、和烹饪的甚至更大市场。
本领域技术人员将认识到，75％ABV的乙醇是烧锅炉所需的最低浓度。85％ABV的乙醇通常是运行发电机或内燃机所需的最低浓度。燃料喷射系统需要至少92.5％ABV并且优选96％乙醇ABV。虽然50％ABV的乙醇将会点燃，但60％至65％ABV的乙醇是支持稳定的烹饪火焰所必需的最低浓度，并且80％ABV的乙醇是获得稳健的烹饪火焰所必需的。
产生高于80％ABV的乙醇浓度的最广泛使用的方法采用蒸馏塔。这通常以含有5体积％至40体积％乙醇的液体开始，在大气压或减压下使其沸腾，并且使用蒸馏塔产生更高浓度的乙醇。
本领域技术人员将认识到，存在两种类型的蒸馏塔，即使用塔板的那些蒸馏塔和使用塔填料的那些蒸馏塔，和蒸馏塔的两种操作模式(分批和连续)。
发明内容
一些变型提供了一种用于从发酵生物质中分离乙醇的方法，该方法包括以下步骤：
(a)提供富含乙醇的发酵生物质；
(b)将该富含乙醇的发酵生物质填充到立式蒸馏塔中；
(c)向该立式蒸馏塔的底部加入水；
(d)加热该立式蒸馏塔的底部以使该水沸腾，从而产生底部蒸气；
(e)冷却该立式蒸馏塔的顶部以冷凝顶部蒸气，从而产生富含乙醇的顶部液体；并且
(f)将该富含乙醇的顶部液体中的一部分重新引入到该立式蒸馏塔的顶部，
其中步骤(d)至(f)同时进行。
在一些实施例中，该富含乙醇的发酵生物质选自下组，该组由以下各项组成：发酵软木片、发酵的来自禾本科的秸秆、发酵甜菜、发酵马铃薯、发酵甘薯、发酵木薯块茎、以及它们的组合。
在某些实施例中，该立式蒸馏塔是金属桶或金属箱。在某些实施例中，该立式蒸馏塔是直立取向的波纹状HDPE管，该管具有金属底部。
在一些实施例中，步骤(c)包括连续或间歇地将外部水引入到该立式蒸馏塔。
在一些实施例中，使用选自下组的方法在步骤(d)中施加热量，该组由以下各项组成：热能、感应加热、蒸汽、以及它们的组合。
在一些实施例中，使用选自空气冷却、水冷却、或它们的组合的方法施加步骤(e)中的冷却。
在一些实施例中，使用分馏器进行步骤(f)。
步骤(d)至(f)可以在例如小于100kPa的压力下进行。
在一些实施例中，步骤(c)与步骤(d)至(f)同时进行。
本发明的其他变型提供了一种用于从发酵生物质中分离发酵产物(例如乙醇)的设备，该设备包括：
(a)立式蒸馏塔，该立式蒸馏塔含有发酵生物质作为蒸馏填料，其中该发酵生物质包含发酵产物；
(b)水贮存器，该水贮存器(i)包含在该立式蒸馏塔内或(ii)与该立式蒸馏塔物理隔离但与其流体连通；
(c)加热装置，该加热装置在该立式蒸馏塔的底部处；
(d)冷却装置，该冷却装置在该立式蒸馏塔的顶部处；以及
(e)回流装置，该回流装置用于将冷却的液体重新引入到该立式蒸馏塔的顶部。
在某些实施例中，该立式蒸馏塔是金属桶或金属箱。在某些实施例中，该立式蒸馏塔是直立取向的波纹状HDPE管，该管具有金属底部。
在一些实施例中，该水贮存器包含在该立式蒸馏塔内、在该立式蒸馏塔的底部处或附近。该设备可以进一步包括用于将外部水引入到该立式蒸馏塔的装置。在某些实施例中，该水贮存器与该立式蒸馏塔物理隔离。
该加热装置可以选自下组，该组由以下各项组成：热能、感应加热、蒸汽、以及它们的组合。
该冷却装置可以选自空气冷却器、水冷却器、或它们的组合。
在一些设备实施例中，该回流装置是分馏器。
附图说明
虽然有可落入本发明的范围内的任何其他形式，但图1是在一些实施例中实现本发明方法的设备的示例性绘图。
具体实施方式
本发明的方法、过程和系统将通过参考不同非限制性的实施例和一个或多个附图进行详细说明。
本说明将使得本领域的技术人员能够制造和使用本发明，并且本说明描述了本发明的若干实施例、修改、变型、替代方案、以及用途。在参考本发明的以下详细说明时，本发明的这些和其他实施例、特征、和优点对于本领域的技术人员而言将变得更清楚。
如本说明书和所附权利要求书中所使用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一个/一种(a/an)”和“该”包括复数对象。除非另外定义，否则在此使用的所有技术和科学术语均具有本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。
除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中使用的表达参数、条件、结果等的所有数值应被理解为在所有情况中被术语“约”修饰。因此，除非相反地指明，否则在以下说明书和所附权利要求书中阐明的数值是近似值，这些近似值可以根据具体算法和计算而不同。
与“包括(including)”、“含有(containing)”、或“特征在于”同义的术语“包含(comprising)”是包容性的或开放式的并且不排除另外的、未列举的要素或方法步骤。“包含”是权利要求语言中使用的专门术语，其意指所指定的权利要求要素是必要的，但是可以添加其他权利要求要素并且仍然构成在权利要求书的范围内的概念。
如在此使用的，短语“由……组成”不包括未在权利要求书中指定的任何要素、步骤或成分。当短语“由……组成”(或其变型)出现在权利要求主体的条款中，而不是紧跟在前言之后时，该短语仅限制该条款中阐明的要素；其他要素作为整体未被排除在该权利要求之外。如在此使用的，短语“主要由……组成”将权利要求的范围限制于指定的要素或方法步骤，加上不实质地影响所要求保护的主题的基础和一个或多个新颖特征的那些。
关于术语“包含”、“由……组成”以及“基本上由……组成”，当在此使用这三个术语之一时，目前披露的且要求保护的主题可以包括使用其他两个术语中的任何一个。因此，在一些未另外明确陈述的实施例中，“包含”的任何实例可以替换成“由……组成”，或可替代地替换成“主要由……组成”。
本发明的前提是针对以下问题的技术方案：压碎、压榨、或挤压通常仅从发酵生物质中回收50％的乙醇，并且真空汽提不是非常有用，因为生产的乙醇通常仅含有约30％至40％酒精体积分数(ABV)。
本发明至少部分地基于利用发酵生物质本身作为蒸馏塔中的填充材料的技术方法。
在一些变型中，在此的实例中证明了本发明的原理。应注意，虽然描述了许多与乙醇有关的实施例，但本发明不限于乙醇作为发酵生物质中所含的发酵产物。在其他实施例中，可以生产不同的醇、有机酸、烃、和其他化合物。
本发明提供了一种用于从发酵生物质中分离乙醇的方法，该方法包括以下步骤：
(a)提供富含乙醇的发酵生物质；
(b)将富含乙醇的发酵生物质填充到立式塔中；
(c)向立式塔的底部加入水；
(d)加热(例如，通过施加热量或在适合的温度下)立式塔的底部以使水沸腾，从而产生底部蒸气；
(e)冷却(例如，通过施加冷却或在适合的温度下)立式塔的顶部以冷凝顶部蒸气并产生富含乙醇的顶部液体；并且
(f)将富含乙醇的顶部液体中的一部分优选在立式塔的顶部处或附近重新引入到立式塔，
其中步骤(d)至(f)优选同时进行。
本领域技术人员将认识到，该方法类似于填料蒸馏塔，不同的是(a)填充材料是或包含发酵生物质，并且(b)蒸馏塔底部处的水或水性溶液用于将热量传递至蒸馏塔底部处的发酵生物质。
将富含乙醇的发酵生物质用作蒸馏塔中的填充材料，并且塔底部处的少量水可以用于有效地将热量传递至塔底部处的生物质。发酵生物质填料具有高的表面积与体积比，并且因此是有效的填充材料。当蒸气在生物质上冷凝时，热量扩散到生物质中，导致乙醇/水蒸气产生，然后该蒸气通过生物质的质外体或纤维从生物质中排出。来自生物质主体(体相)的这种乙醇/水蒸气富集了生物质颗粒表面处的乙醇浓度。由于乙醇比水更易挥发，所以含有较低乙醇浓度的液滴从生物质向下滴落，并且含有较高乙醇浓度的蒸气从生物质向上升起。这导致塔顶部处的乙醇浓度高于最初在发酵生物质中的乙醇浓度。
热量向生物质中的扩散需要一些时间。这在Lienhard IV,J.H.和V.Lienhard,AHeat Transfer Textbook[传热学教材],第4版,Cambridge Massachusetts[马萨诸塞州坎布里奇](2017)的第5章中有所描述，该文献特此通过引用结合在此，并且在此称为“Leinhard”。Leinhard中的图5.8(对于圆柱形，例如秸秆)和图5.9(对于球形，例如块茎和木片)给出了一种简单的方法来计算将生物质中心加热到生物质中乙醇的沸点所需的时间。例如，直径为0.1m(4英寸)的发酵甜菜在1小时后具有0.208的傅里叶数(Fo)(与Leinhard中的实例5.2相同)。按重量计具有18％糖的发酵甜菜具有约10％ABV的乙醇含量，其沸点为约94℃(这在图5.9中是约0.05的无量纲温度)。对于冷凝蒸汽(1000W m-2K-1)，该甜菜的毕渥(Biot)数(Bi)是约83，并且因此1/Bi是约0.012。Leinhard中图5.9的左上角显示冷凝蒸汽将在约1.5小时内将该甜菜的中心加热至94℃。
在优选的实施例中，该发酵生物质选自下组，该组由以下各项组成：发酵软木片、发酵的来自禾本科(例如甘蔗和甜高粱)的秸秆、发酵甜菜、发酵马铃薯、发酵甘薯、发酵木薯块茎、以及它们的组合。这些是最常种植的富含碳水化合物的作物，但该列表并不是详尽的，并且本发明的原理可以应用于其他生物质原料。发酵生物质的几何形状可以变化，诸如球形、棒形、管形、纤维、板形、垫形、片形、随机取向、或它们的组合。任选地，将发酵生物质压入选定的蒸馏塔填充几何形状中，但这绝不是必需的。
发酵生物质典型地由以下方式获得：使用一种或多种适合的微生物固态发酵起始生物质，以至少部分地将糖或糖聚合物发酵成仍然包含在生物质内的发酵产物。固态发酵是一种培养技术，其中微生物在潮湿固体颗粒上在受控条件下将糖发酵成产物(诸如乙醇)，这些潮湿固体颗粒具有足够的水分以维持微生物生长和/或代谢。一些实施例采用如美国专利号9,428,772、美国专利号9,499,839、和/或美国专利号9,631,209中教导的方法，这些专利特此通过引用结合在此。本领域技术人员将认识到，存在许多方法和适合的生物体用于将富含碳水化合物的生物质固态发酵成乙醇或其他发酵产物。
另外，发酵生物质可以由可以与固态发酵不同的生物质发酵获得。例如，可以采用生物质的液体深层发酵，其中然后回收(诸如经由过滤或离心)发酵生物质以用于本发明。这不太实用，因为发酵产物也包含在液相中，但它仍然在本文的范围内。液相中的发酵产物可以单独回收和/或任选地以稀释形式进料到如在此提供的蒸馏塔中以进行纯化，同时利用回收的发酵生物质作为蒸馏填料。
基于具有所有组分(包括所有固体和水)的发酵生物质的总重量，发酵生物质可以含有不同浓度的乙醇，诸如约或至少约0.1重量％、0.5重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％、10重量％、11重量％、12重量％、13重量％、14重量％、15重量％或更多。
许多类型的蒸馏塔可以用于本发明。最简单的是使用金属底的容器，诸如204L(55加仑)桶，或大型金属箱，或竖立的大直径(>0.5m)波纹状HDPE管，其在底部处具有金属塞。波纹状HDPE管的优点可以在于它每单位体积是廉价的、是绝缘的，并且可以承受真空压力。
在一些实施例中，立式塔是金属桶。在一些实施例中，立式塔是金属箱。在一些优选的实施例中，立式塔是直立取向的波纹状高密度聚乙烯(HDPE)管，该管具有金属底部。
在步骤(c)中，可以通过连续或间歇地将外部水引入到立式蒸馏塔来加入水。例如，可以将外部水泵入到立式塔中。在一些实施例中，最初将适合量的水放入到蒸馏塔的底部中，并且在蒸馏塔的操作过程中可能需要或可能不需要另外的水。在某些实施例中，发酵生物质中含有足够的水，使得不需要最初或连续地将另外的(外部)水引入到塔的底部中。换句话说，当发酵生物质中含有足够的水时，在操作过程中，该水的一部分从生物质颗粒中扩散出来并滴落到塔的底部。仍然将水添加到立式塔的底部(步骤(c))，但它是最初包含在发酵生物质中的水。组合是可以的。例如，可以将初始量的水放入塔中用于启动。在操作过程中，这些水被蒸发，但可以部分或完全被源自发酵生物质的水替换。如果仍然不足，则可以连续或周期性地将外部水引入到蒸馏塔中。在一些实施例中，步骤(c)与步骤(d)至(f)同时进行。
当发酵生物质的起始水含量不足时，随着将顶部液体从塔顶部移取出，可能需要向塔的底部加入液态水以向发酵生物质提供热传递。否则，塔的底部可能变干，并且将仅通过传导进行热传递，这比塔底部处的水沸腾的效率低得多。
在一些实施例中，在塔的底部处引入足够的水，使得底部不会在蒸馏过程中变干。该水可以最初引入在塔中和/或在蒸馏过程中周期性地引入。在实践中，塔高度的约5％的水位典型地是足够的，因为水也与乙醇一起从生物质中排出，并且该水沿着塔向下迁移而乙醇沿着塔向上迁移。在不同实施例中，采用塔高度的约1％、2％、5％、10％、15％、20％、或25％的水位。优选地，塔底部处的水量足以在冷凝时涂覆在生物质的外部。
在优选的实施例中，使用选自下组的方法向塔施加热量，该组由以下各项组成：热能、感应加热、蒸汽、以及它们的组合。
能量是蒸馏的主要成本，并且本领域技术人员将认识到使用不同类型的热能、感应加热、和蒸汽的权衡方案。如果使用感应加热，则蒸馏塔的底部优选是黑色金属，并且优选不是不锈钢的。
在优选的实施例中，使用选自空气冷却、水冷却、或它们的组合的方法施加冷却。在不同实施例中，通常可以使用气体冷却、液体冷却、或组合的气体/液体冷却来施加冷却。除水之外的液体冷却剂是本领域技术人员已知的。
冷凝器的空气冷却需要比水冷却更大的面积，但冷空气常常更经济。本领域技术人员将认识到使用不同类型的冷凝器冷却的权衡方案。
在优选的实施例中，使用分馏器进行步骤(f)。分馏器是被安排用于多组分蒸气流的部分冷凝的器件。蒸气流垂直向上流动，并且冷凝物(冷凝的蒸气)在重力的影响下向下流回。分馏器提供了将回流与均匀重新分配回流到塔顶部相结合的良好手段。一个简单且廉价的优选实施例是空气冷却的扁平金属板，该金属板具有用于使蒸气从蒸馏塔逸出的孔洞。
在一些实施例中，步骤(f)在立式蒸馏塔的顶部处重新引入富含乙醇的顶部液体。可替代地，或另外地，步骤(f)可以在立式蒸馏塔顶部附近但不在顶部处，诸如在立式蒸馏塔高度的约50％、60％、70％、90％、90％、或95％(100％高度是立式蒸馏塔本身的顶部，但不包括塔上方或塔顶部下游的分馏器或其他器件)处重新引入富含乙醇的顶部液体。
可以重新引入到立式蒸馏塔的富含乙醇的顶部液体的部分可以广泛变化，诸如重量比是从约0.01至约0.99。在不同实施例中，重量比是约0.02、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、或0.95。在操作过程中，重量比(重新引入到塔的部分)可以由于温度或压力的变化、乙醇从发酵生物质中释放浓度的变化而变化、或随机地变化。
典型地，以与基本上连续地从发酵生物质中蒸馏出乙醇相同的方式，以基本上连续的方式将富含乙醇的顶部液体重新引入到立式蒸馏塔。然而，由于潜在的热力学、质量传递、和热传递，蒸馏过程中可能发生时间和空间的变化。在某些实施例中，以有意间歇的方式将富含乙醇的顶部液体重新引入到立式蒸馏塔，诸如当使用控制方案监测乙醇的局部浓度时。
在优选的实施例中，步骤(d)至(f)在小于约100kPa(大气压)，诸如约或小于约90kPa、80kPa、70kPa、60kPa、50kPa、40kPa、30kPa、20kPa、或10kPa的绝对压力下进行。
在一些实施例中，步骤(d)在约或小于约90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、或30℃的温度下进行。
使用低于大气压的压力允许在蒸馏塔底部处使用低温热量。这使得可以将太阳能、烟道气、温水、或其他低温热源用于蒸馏塔。此举还使得通过蒸馏塔的壁至环境的热损失减少，从而提高了整体效率。
富含乙醇的发酵生物质常常在薄壁组织中含有果胶。果胶在加热下降解，产生甲醇，甲醇通常是不希望的蒸馏产物。这在Diaz,Jerome V.,Gordon E.Anthon和DianeM.Barrett,“Nonenzymatic degradation of citrus pectin and pectate duringprolonged heating:effects of pH,temperature,and degree of methylesterification[在长时间加热过程中柑橘果胶和果胶酸酯的非酶降解：pH、温度、和甲酯化程度的影响],”Journal of agricultural and food chemistry[农业与食品化学杂志]55.13(2007):5131-5136中有所描述，该文献特此通过引用结合在此。其中的图3(A)显示，加热时由果胶产生的甲醇量在75℃下是在100℃下的约十分之一。
图1中示出了实现本发明方法的示例性设备。同样，本发明不限于乙醇是发酵产物。
浸渍有乙醇的生物质105位于多孔板117上方的塔106内。塔106优选地包裹在适当的绝缘材料(未示出)中，但是缺少这种绝缘将不妨碍设备的工作并且将仅影响其能量效率。多孔板117防止生物质接触贮存器102中的水，该贮存器通过供水源112保持有足够的水。多孔板117并不是关键的；缺少多孔板将不妨碍设备的工作并且将仅略微增加金属板118的结垢。在塔106的底部处，金属板118布置在由温度指示器104和功率控制器103控制的加热器101上方。加热器101向贮存器102提供热量以蒸发水，同时金属板118确保热量的均匀分布。在一些实施例中，加热器101是电动的。然而，可以使用其他加热器件，包括蒸汽加热器、直接火力加热器、热油加热器、或太阳能加热器。
在图1中描绘的实施例中，贮存器102包含在塔内。在其他实施例中，通过适当的装置将贮存器与塔物理分离，以使水蒸气从贮存器流动到塔并且从塔冷凝到贮存器。
当水蒸气通过塔106上升时，该蒸气富含低沸点乙醇，从而导致生物质减少其乙醇含量。在离开生物质105后，富含乙醇的蒸气经过分馏器108，该分馏器冷却蒸气，并且通过提供部分冷凝，允许进一步浓缩乙醇。温度控制器107和114分别可以用于测量离开生物质105的蒸气温度和离开分馏器108的蒸气温度。可以通过用冷却器122改变分馏器108的冷却来控制该温度差。在一些实施例中，冷却器122是空气冷却器，但可以使用其他冷却系统，诸如水夹套或在流动路径的外部或内部具有冷却液的盘管。离开分馏器108的蒸气在冷凝器109中完全冷凝。该实施例中所示的冷凝器109是液体冷却的。线120指示适当的冷却介质的流动，但可以使用其他冷却介质，诸如空气强制对流或空气自然对流。真空泵110用于控制系统中的压力。在压力计111中指示出系统压力。真空泵可以被配置成允许系统在高真空下操作或仅用于排出冷的不能冷凝气体。在被设计成仅在环境温度或接近环境温度下操作的一些实施例中，可以省去真空泵。温度指示器121指示冷凝器109内的温度。富含乙醇的冷凝物收集在收集容器113中。
本领域普通技术人员将认识到，已知的设备和部件可以用于在此披露的过程、方法、设备、和系统。在此的过程可以是分批的、连续的、半连续的或准连续的。
例如，将富含乙醇的发酵生物质填充到立式塔中的步骤(b)可以分批进行，随后连续操作步骤(d)至(f)，和任选的步骤(c)。在一些商业实施例中，步骤(b)也是连续或半连续的，即富含乙醇的发酵生物质可以通过诸如塔顶部附近的端口引入到塔中，而耗尽乙醇的生物质可以通过诸如塔底部附近的端口从塔中取出。
生产量或加工能力可能从小型实验室规模单元到完全商业规模的单元，包括任何试点、示范或半商业规模，广泛地变化。在不同实施例中，加工能力为至少约1kg/天、10kg/天、100kg/天，1吨/天(所有吨为公吨)、10吨/天、100吨/天、500吨/天、1000吨/天，2000吨/天、或更高。
整个系统可以在固定的位置，或者它可以被制成便携式的。可以使用对于实际按比例放大可以简单地复制的模块来构造该系统。
不同的探针可以允许跨越过程的不同阶段进行精确的过程监测和控制，直到并潜在地包括过程的所有阶段。当可以利用操作历史来调整工艺条件(包括压力循环程序)时，将预期精确的过程监测导致产量和效率的提高，在动态以及在一段时间内两种情况下。在一些实施例中，将反应探针布置成与处理区域可操作地连通。这种反应探针可以用于提取液体样品并分析它们，以便确定分离程度或乙醇分布等。如果认为是必要或需要的，过程调整可以基于使用熟知的过程控制原理(反馈、前馈、比例-积分-微分逻辑等)的测量。
在过程中产生或存在的固体、液体和气体流可以独立地循环，传递到后续步骤，或者在任何点从该过程中去除/清除。
实例
对应于图1中的示例性设备，构建测试设备。进行了三种蒸馏测试：第一种是在大气压(101.325kPa)下用注入乙醇的木片，第二种是在大气压下用发酵甘蔗，并且第三种是在50kPa压力下用注入乙醇的木方块。
第一测试中的生物质105是在真空下注入有10％ABV溶液的12mm软木方块。第二测试中的生物质105是根据美国专利号9,631,209(该专利特此通过引用结合在此)中的方法发酵的甘蔗，切成25mm长度以使其适配在塔中。第三测试中的生物质105是在真空下注入有10％ABV溶液的12mm软木方块。
在第一测试和第二测试中没有使用真空泵110，并且在第三测试中使用真空泵以将压力计111保持在50kPa下。
塔106是304不锈钢管，具有91cm的长度、45mm的内径和51mm的外径，并且包裹在玻璃纤维垫热水器管绝缘物中。
每种测试中的贮存器102最初含有200mL蒸馏水，并且未使用多孔板117。在每种测试结束时，大约125mL液体保留在贮存器102中。
金属板118是表面积为2600cm2的304不锈钢板，焊接在塔106的底部。
加热器101是1200W的商业热板，螺栓连接到金属板118的下侧。未使用温度指示器104，并且功率控制器103是变阻器，该变阻器在这三种测试过程中保持在全开位置。
分馏器108是9cm长的双壁铜管，内径为14mm并且外径为20mm。
温度控制器107和114分别是测量离开生物质的蒸气温度和离开分馏器的蒸气温度的热电偶。
在第一测试和第二测试中，冷却器122是用蠕动泵泵送的可变流量空气，以将温度控制器114处的温度控制在80℃以下。在第三测试中，冷却器122是60℃恒温下的恒定流量水。
冷凝器109是50cm长的双壁铜管，内径为20mm并且外径为28mm。
温度指示器121保持在10℃下。
收集容器113是250mL爱伦美氏烧瓶，用橡胶塞连接到冷凝器，使得它可以在第三测试中保持在真空下。
制备800mL蒸馏水和200mL 50％ABV乙醇的溶液用于第一测试和第三测试。这是10％ABV，按重量计8.01％的酒精。
在第一测试中，将这种10％ABV溶液用真空注入到200g的每侧为12mm的全干软木方块中。在注入后，重量是441.8g，因此将241.8g的10％ABV溶液注入到木方块中。这是241.8g×8.01％＝19.37g乙醇。在大气压下蒸馏6小时后，回收23.492g馏出物，并且20mL的该馏出物的质量是16.8g。密度是0.84g/cm3，86.6％ABV，按重量计81.3％，总共回收了19.09g乙醇，或回收了98％(由于实验误差，具有约5％的不确定性)。
在第二测试中，使用美国专利号9,631,209的方法使500g甘蔗注入有酵母，并发酵60小时。发酵的进程通过产生的气体使用来自德国波鸿(Bochum,Germany)的Dr.-Ing.Ritter Apparatebau GmbH&Co.KG公司的MGC-1型MilliGascounter来测量。在发酵期间内以毫升分辨率测量产生的气体量。3.35g糖(通常是蔗糖)的发酵产生1L的气体(CO2)，因此发酵糖的量、发酵速率、和发酵糖的总量可以通过随时间推移产生的气体图来推断。测量到9升气体，这意味着发酵了30.15g糖并产生了约15g乙醇。56g液体从564g注入的甘蔗中排出，并且在蒸馏塔中未使用这种排出的液体，因此约13.5g乙醇保留在甘蔗中。在大气压下蒸馏5小时后，回收12.71g馏出物，并且10mL的该馏出物的质量是8.24g。密度是0.824g/cm3，91.54％ABV，按重量计87.7％，总共回收了11.15g乙醇，或回收了83％(由于实验误差，具有约10％的不确定性)。
在第三测试中，将10％ABV溶液用真空注入到231g的每侧为12mm的全干软木方块中。在注入后，重量是491g，因此将260g的10％ABV溶液注入到木方块中。这是260g×8.01％＝20.83g乙醇。在50kPa压力下蒸馏3.5小时后，回收28mL馏出物，并且20mL的该馏出物的质量是16.72g，因此回收了23.41g馏出物。密度是0.836g/cm3，按体积计87.89％乙醇，按重量计82.97％乙醇，总共回收了19.42g乙醇，或回收了93％(由于实验误差，具有约5％的不确定性)。
这三种测试的结果证明本发明的方法是从发酵生物质中分离乙醇的有用且实用的方法。
本领域技术人员将认识到，通过更好地控制分馏器处的温度，可以容易地实现在回收的乙醇量和馏出物浓度方面的改善。
本发明的原理可以应用于除乙醇之外的其他发酵产物，诸如(但不限于)醇、有机酸、烃等。
在该详细说明中，已参考了多个实施例。对这些实施例进行了说明以使本领域的技术人员能够实践本发明，并且应理解，可以由熟练的技术人员对所披露的不同实施例作出修改。
当上述方法和步骤指示某些事件以某种顺序发生时，本领域普通技术人员将认识到可以修改某些步骤的顺序并且这类修改是根据本发明的变型。另外，在可能时可以在并行过程中同时执行某些步骤，也可顺序执行某些步骤。
本说明书中所引用的所有出版物、专利和专利申请通过引用以其全部内容结合在此，就如同每个出版物、专利或专利申请已经在此明确地且单独地提出。
上述实施例和变型应当提供本发明的实用性和通用性的指示。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以利用未提供在此阐明的所有特征和优点的其他实施例。这类修改和变型被认为在由权利要求书限定的本发明的范围内。在本披露内容与词典或其他参考文献之间的定义中有冲突的情况下，将以本披露内容为准。

Claims (20)

1.一种用于从发酵生物质中分离乙醇的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供富含乙醇的发酵生物质；
(b)将所述富含乙醇的发酵生物质填充到立式蒸馏塔中；
(c)向所述立式蒸馏塔的底部加入水；
(d)加热所述立式蒸馏塔的底部以使所述水沸腾，从而产生底部蒸气；
(e)冷却所述立式蒸馏塔的顶部以冷凝顶部蒸气，从而产生富含乙醇的顶部液体；并且
(f)将所述富含乙醇的顶部液体中的一部分重新引入到所述立式蒸馏塔的顶部，
其中步骤(d)至(f)同时进行。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述富含乙醇的发酵生物质选自下组，所述组由以下各项组成：发酵软木片、发酵的来自禾本科的秸秆、发酵甜菜、发酵马铃薯、发酵甘薯、发酵木薯块茎、以及它们的组合。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述立式蒸馏塔是金属桶或金属箱。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述立式蒸馏塔是直立取向的波纹状HDPE管，所述管具有金属底部。
5.如权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包括连续或间歇地将外部水引入到所述立式蒸馏塔。
6.如权利要求1所述的方法，其中使用选自下组的方法在步骤(d)中施加热量，所述组由以下各项组成：热能、感应加热、蒸汽、以及它们的组合。
7.如权利要求1所述的方法，其中使用选自空气冷却、水冷却、或它们的组合的方法施加步骤(e)中的所述冷却。
8.如权利要求1所述的方法，其中步骤(f)使用分馏器来进行。
9.如权利要求1所述的方法，其中步骤(d)至(f)在小于100kPa的压力下进行。
10.如权利要求1所述的方法，其中步骤(c)与步骤(d)至(f)同时进行。
11.一种用于从发酵生物质中分离发酵产物的设备，所述设备包括：
(a)立式蒸馏塔，所述立式蒸馏塔含有发酵生物质作为蒸馏填料，其中所述发酵生物质包含发酵产物；
(b)水贮存器，所述水贮存器(i)包含在所述立式蒸馏塔内或(ii)与所述立式蒸馏塔物理隔离但与其流体连通；
(c)加热装置，所述加热装置在所述立式蒸馏塔的底部处；
(d)冷却装置，所述冷却装置在所述立式蒸馏塔的顶部处；以及
(e)回流装置，所述回流装置用于将冷却的液体重新引入到所述立式蒸馏塔的所述顶部。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述立式蒸馏塔是金属桶或金属箱。
13.如权利要求11所述的设备，其中所述立式蒸馏塔是直立取向的波纹状HDPE管，所述管具有金属底部。
14.如权利要求11所述的设备，其中所述水贮存器包含在所述立式蒸馏塔内、在所述立式蒸馏塔的底部处或附近。
15.如权利要求14所述的设备，所述设备进一步包括将外部水引入到所述立式蒸馏塔的装置。
16.如权利要求11所述的设备，其中所述水贮存器与所述立式蒸馏塔物理隔离。
17.如权利要求11所述的设备，其中所述加热装置选自下组，所述组由以下各项组成：热能、感应加热、蒸汽、以及它们的组合。
18.如权利要求11所述的设备，其中所述冷却装置选自空气冷却器、水冷却器、或它们的组合。
19.如权利要求11所述的设备，其中所述回流装置是分馏器。
20.如权利要求11所述的设备，其中所述发酵产物是乙醇。
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