(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水、糖および酵母を含むバッチを発酵させるための発酵タンクと、
エタノールを蒸留するための、前記発酵タンクに結合される複数のセクションを有する蒸留管と、
前記蒸留管の前記複数のセクションを解除可能に一緒に固定するためのカップリング機構と、
前記蒸留管を垂直配向に位置合わせするための、前記蒸留管に結合されるジンバル機構と、
水からエタノールを分離するための、前記蒸留管に結合される濾過機構と、
エタノールを貯蔵するための、前記濾過機構に結合される貯蔵タンクと、
を備える、マイクロ精製装置。
【請求項２】
前記カップリング機構が、複数のピンおよびフックを含み、前記複数のピンおよびフックが、前記蒸留管の外径に沿って固定され、前記蒸留管の前記セクションに結合するために互いに係合し、前記蒸留管の前記セクションを解除するために非係合する、請求項１に記載される装置。
【請求項３】
垂直方向に離隔し、互いに対して略平行であり、前記蒸留管内に斜め配向で装着される複数の多孔プレートを、さらに備える請求項１に記載される装置。
【請求項４】
前記複数の多孔プレートに結合するプレートアセンブリをさらに備え、
前記プレートアセンブリが、前記蒸留管内に装着される、請求項３に記載される装置。
【請求項５】
前記蒸留管の垂直なアライメントを維持するための、前記蒸留管に結合されるジャイロスコープを、さらに備える請求項１に記載される装置。
【請求項６】
前記ジャイロスコープ内の回転ロータの回転軸が、前記蒸留管の垂直軸と位置合わせされる、請求項５に記載される装置。
【請求項７】
水蒸気分子よりも大きいが、エタノール蒸気分子よりも小さい複数の孔を有する、前記濾過機構に結合される多孔質膜を、さらに備える請求項１に記載される装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００８年４月２５日に出願された米国特許出願第１２／１１０，２４２号の「Ｍｅｔｈｏｄ  Ｆｏｒ  Ｕｓｉｎｇ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｃｒｅｄｉｔｓ  Ｗｉｔｈ  Ｍｉｃｒｏ  Ｒｅｆｉｎｅｒｉｅｓ」および２００８年４月２５日に出願された米国特許出願第１２／１１０，１５８号の「Ｍｉｃｒｏ  Ｒｅｆｉｎｅｒｙ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｆｏｒ  Ｅｔｈａｎｏｌ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ」に基づく優先権を主張し、これらの出願は参照として本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般には、原材料および／または廃棄されたアルコール液をエタノールに変換するマイクロ精製エタノールシステムを遠隔的に監視し、マイクロ精製システムからのデータを処理するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
エタノール発酵とは、糖を内燃機関用の燃料として使用できるエタノールにそれによって変換する生物学的プロセスである。エタノールまたはエチルアルコールを生成するために、でんぷんベースの原材料または糖ベースの原材料を使用することができる。糖および酵母をエタノールへと変換するために、大型の発酵槽が使用される。発酵後、エタノールは、蒸留プロセスにおいてその他の流体から分離される。無水エタノールはガソリンと混合され、次いで、ガソリンターミナルまたは小売店に出荷することができる。
【０００４】
大型の工業エタノール発酵設備に関する問題は、生成には、大量のエタノールのバッチを生成する大規模機械が必要となることである。次いで、エタノールを添加剤と混合し、配送トラックに移し、ガソリンスタンドに配送しなければならない。また、これらの大型のエタノール生成設備には、精製処理および機器を運転し、１日２４時間運転しながら監視する多数の特別に訓練された技術者も必要となる。
【０００５】
訓練されていない人材よって最適な性能効率が維持されるために遠隔的におよび／または自動的に運転および監視することができる機械を使用して、より少ないバッチのエタノールを生成するためのより便利なマイクロ精製システムが必要とされる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、糖またはアルコール飲料からエタノールを生成するマイクロ精製システムを対象とする。マイクロ精製装置は、マイクロ精製装置が様々なコンピュータと通信できるようにするコンピュータネットワークに結合される。また、マイクロ精製装置は、システムオペレーティングデータを提供する多くのセンサを含むことができる。マイクロ精製装置は、ステータス情報を提供し、予備量または消費速度に基づいて必要な原材料を供給することを目的とするような、自動化された動作を実行することができる。システムは、原材料の予備量を監視し、エタノール消費を維持するために必要な供給量を推定することができる。
【０００７】
また、マイクロ精製装置は、電子通信を介して、生成情報を任意の規制実体に提供することができる。また、システムは、処理機構のいずれかに何らかの問題があるかどうかを示すことができる。システムが任意のメンテナンスまたは修理を必要とする場合、マイクロ精製装置は、必要なサービスを求めることを示す信号を送信することができる。システムは、その情報をユーザコンピュータに送信することができ、それにより、ユーザは、次いで、サービスを要求することができ、あるいは別の実施形態では、システムが、サービス要求を保守業者に自動的に送信してもよい。
【０００８】
マイクロ精製システムがユーザの場所に設置されるときには、システムは、電源、水道および流体ドレーンに結合することができる。システムは燃料ポンプを含むので、車両が容易にアクセスできる場所に設置されなければならない。マイクロ精製装置の設置には、水平表面上に配置し、水源、電源および排水口に接続することが必要とされる。マイクロ精製装置は、自動的に動作し、システムオペレーションは、ユーザコンピュータまたはシステム管理オペレータコンピュータによって監視および制御される。システムは、ユーザインターフェースを介して監視および制御することができ、ならびに／あるいは、データは、送信器を介して、インターネットのようなコンピュータネットワークに送信することができる。動作情報およびシステム制御は次いで、ネットワークを介して、ユーザのコンピュータまたはシステム管理コンピュータに送信することができ、それにより動作を遠隔的に監視することができる。
【０００９】
システムが、ユーザの場所に設置され、ユーザが、マイクロ精製装置のスイッチを入れると、システムは、スタートアッププロセスを行って、各システムの適切な動作を確認することができる。システムが処理を始める準備が完了すると、糖、酵母および酵母養分を含む原材料は、発酵タンク中で水と混合される。発酵タンクは、撹拌機、温度制御機構およびロードセルを含む封止されたユニットである。測定システムは、発酵プロセスを開始できるように、発酵タンク中に入れられた原材料構成要素の量と、原材料と混合した水の体積とを検出する。制御システムは、ポンプ、撹拌機、バルブ、ファン、センサおよび熱電冷却器を管理して、適切な化学混合と発酵環境を自動的に維持する。このプロセスにおいて、酵母は糖を消費し、それをエタノール、二酸化炭素ガスおよび熱に変換する。一実施形態では、システムは、排出された二酸化炭素を検出し、バッチの化学的構成成分を検出することによって、発酵プロセスを監視することができる。原材料の投入は、手動で行っても、タンク中への材料の流れを制御する作動されたバルブを介して自動的に行ってもよい。
【００１０】
システムは、ロードセルからの出力信号を監視することによって、バッチの材料の初期重量を検出することができる。原材料構成要素が連続して個別に入力される場合、各構成成分の重量は、各原材料構成成分が加えられるにつれて、重量が変化することによって表される。検出された原材料重量に基づいて、対応する適切な水の重量／体積を算出することができる。タンク中に投入される水の量は、ロードセルまたは流れ測定機構によって検出することができる。一実施形態では、タンクは、発酵タンク中の液体の体積を検出するセンサを有することもできる。液体センサは、タンク中の可変レジスタに結合されるフロートを含むことができる。タンクが満たされているときには、レジスタは、低抵抗値に設定される。タンクが空になると、フロートは、抵抗を変化させるレジスタに沿ってスライドする。下向きの運動は、液体センサの電気抵抗を増加させることができ、抵抗は、タンクが空のときに、最高値に到達する。システムは、検出された電気抵抗に基づいて、液体の体積を算出するために較正することができる。
【００１１】
次いで、システムは、撹拌機を用いて、原材料、糖および水を混合することができる。発酵プロセスが生じると、酵母と糖との反応が熱を生成する。また、システムは、発酵の最適な温度範囲にとどまるように、発酵タンク内の温度を制御することができる。温度を監視することによって、加熱システムは、発酵タンクを加熱すべきか、冷却すべき、あるいは、維持すべきかを判断することができる。一実施形態では、温度制御ユニットは、発酵タンクに結合されるサーマルプレートであり、プレートに印加される電圧の極性を切り換えることによって、内部体積を加熱することも、冷却することもできる。発酵プロセスにおいて、原材料および糖は、エタノールおよび二酸化炭素に変換される。二酸化炭素は、発酵タンクから排気され、エタノールが生成されるにつれて、タンク中の材料の重量は減少する。経時的に材料の重量の変化を検出することによって、システムは、発酵プロセスのステータスおよび経過を特定することができる。
【００１２】
一実施形態では、システムは、混合率または配合が適切であるか、また、バッチが発酵しているかを判断するために、発酵配合成分の混合を確認することができる。発酵中、バッチ液体のサンプルは、発酵タンクから周期的に取り除かれ、１つまたは複数のセンサを含む検査領域に入れられる。ポンプに結合される管を使用して、バッチからサンプルを取り除き、そのサンプルを検査領域に入れることができる。センサは、導電性、ｐＨレベル、光屈折または光学波長吸収および蛍光のような物理的特性を検出することができる。センサ出力を分析して、発酵タンク中の化学的構成成分の量を判断する。サンプルを検査した後に、システムは、バッチにサンプルに戻すことができる。発酵処理を監視するために、システムは、バッチプロセス全体を通じて、バッチのサンプルを継続的または周期的に継続することができる。したがって、サンプル除去システムは、継続的に、バッチの一部分を検査容器中への汲み上げることができ、検査サンプルを、周期的に検査容器に移すことができる。一実施形態では、バッチは、サンプルを別個の検査チャンバに移動させることなく、発酵タンク中で直接検査することができる。
【００１３】
センサがバッチサンプルの検出を行うと、検出された性質は、値の予めプログラムされたルックアップテーブル上に保存され、アルゴリズムから導かれる予測値または最適値と比較さえる。検出された化学的構成成分をルックアップテーブルまたは遠隔通信フィードバックと比較することによって、システムは、バッチが、バッチの材料の最適な混合を含むかどうかを判断することができる。検出された値と予測値との間のかなりの差がある場合、システムは、不足している化学的配合成分があるか、または、過剰な化学的配合成分があるかを特定することができる。システムは次いで、ユーザに、バッチを修正するためにタンクに加えられるべき化学的配合成分を知らせることができる。その他の実施形態では、化学物質は内部に貯蔵され、マイクロ精製装置は、材料を発酵タンクに自動的に加えて、バッチ混合の化学的不均衡を修正する。
【００１４】
いくつかの場合には、配合成分の最適な混合または比率は、周囲条件に基づくことができる。システムがタンクの温度を制御することができる間、追加のセンサが温度、湿度、気圧などのような周囲環境変化を測定することができる。環境の変化が検出されると、システムは、ルックアップテーブルを参照し、あるいは、配合成分の適切な比率に関するオンライン遠隔フィードバックを取得することができる。システムは次いで、タンク中の材料の混合を、周囲条件に関する理想的な配合へ修正することができる。システムはまた、構成要素の冷却または加熱を開始して、タンク内を適切な環境に維持する。
【００１５】
発酵処理の完了後、発酵タンクは、エタノールおよび水を含む。エタノールは、蒸留システム内で水から分離される。数日間にわたってゆっくりと加熱され、発酵タンクから、エタノールの蒸気と水とを生成する蒸留カラムへと汲み上げられる。これらの材料の沸点は異なるので、エタノール蒸気は、蒸留管の上部へと上昇する傾向があるが、水蒸気のほとんどは、管壁で凝結し、蒸留管から出ない。
【００１６】
システムは、平坦でない表面に装着される場合があり、適切な蒸留のために垂直なアライメントが必要なので、システムは、蒸留管の垂直なアライメントシステムを含む。一実施形態では、ジンバルが、蒸留管の上半分に結合される。ほとんどの重量がジンバルより下にあるので、蒸留管は、垂直なアライメントへと回転しやすい。システムは、アライメントプロセス中に、単に、回転しないようにすることができる。アライメントが実行された後に、システムは、蒸留プロセス中に回転移動しないように蒸留管を定位置に係止することができる。
【００１７】
蒸留管は、材料パッキングで、または、アルコールから気化したビールを引き抜くために使用される複数の水平な多孔プレートで充填することができる。理想的には、気化したビールおよびエタノールは、蒸留管の底部に入り、ビール蒸気、水およびその他のより重い材料は、パッキングまたはプレートで遮断される。対照的に、エタノールは、蒸気の形態のままで、蒸留管を上に向かって進み続ける傾向がある。これは、水とその他の汚染物質をエタノール蒸気から分離するのを助ける。
【００１８】
一実施形態では、複数のプレートは、管の内部で垂直方向にオフセットしている。しかしながら、好ましい実施形態では、対角線方向に角度を付けられた多孔プレートが、管の内部に配置される。多孔プレートの孔のサイズを調節して、蒸留性能を最適化することができる。マイクロ精製装置が長時間動作したり、一時的に生成を停止したりするときに、潜在的な問題が生じる。ビールは、凝結管内のパッキングまたは多孔プレート上に残ることがあり、多孔プレートおよび／またはパッキングの詰まりの原因となる。次いで、システムが最適効率で動作することができる前に、凝結管全体を清浄しなければならない。この詰まりの問題を低減するために、水およびビール蒸気がプレート上で凝結するときに、重力が凝結した液体をプレートの下側縁部に向かって引くように、プレートに角度を付けることができる。ビール液体は、多孔プレートから離れて移動する傾向があるので、蒸留管への損傷は、ほとんどなくなる。
【００１９】
一実施形態では、蒸留管は、複数の部品に分解することができるマルチピースユニットである。プレートまたはパッキングを交換または修理しなければならない場合、蒸留管を分解することができ、内部表面にアクセスすることができる。一実施形態では、蒸留管は、その全長にわたって１つまたは複数のカップリングを有することができる。カップリングは、任意の好適な設計にすることができる。好ましい実施形態では、カップリングは、蒸留管のセクションを回転させるときにフックに係合するピンを含むことができる。一方向に回転させることによって、セクションを軸方向アライメントで結合させ、反対方向に回転させることによって、セクションを解除および分離できるようにする。セクション同士を結合させるときに、ロック機構を使用して、セクションが回転しないようにすることができる。
【００２０】
蒸留管から出る蒸気は、エタノールをその他の流体から分離する分離膜を通過する。膜は、あまりに急激に高温の蒸気に露出させる熱ショックによって損傷する場合がある。高温の蒸気による膜へのダメージを防止するために、システムは、予熱機構と、膜温度を検出する温度センサとを含むことができる。予熱機構は、高温の蒸気に膜がさらされる前に、膜を徐々に加熱する加熱器とすることができる。予熱は、膜へのダメージを防止するために熱上昇速度を調節することができるコントローラによって制御することができる。膜温度が温水およびエタノール蒸気の温度と同様のときには、システムは、バルブを開いて、水蒸気およびエタノール蒸気が膜を通って流れるようにすることができる。
【００２１】
膜は、より小さな水分子は通過できるが、より大きな出口を通って流れるエタノール分子は通過できない小さな孔を有する。バキュームを使用して、膜の孔を通して水蒸気を抜くことができる。水をエタノールから分離した後で、複数の熱交換器および熱電冷却器は、エタノール蒸気および水蒸気を変換して液体に戻す。水はリサイクルされ、燃料グレードのエタノールは、貯蔵タンク中に流れ、使用できるようになる。一実施形態では、マイクロ精製装置は、エタノールならびにガソリンを貯蔵する。一実施形態では、ユーザは、エタノールとガソリンのブレンド比を制御する。燃料を必要とするとき、混合燃料は、ホースおよびノズルを通して、ちょうどガソリンスタンドでするように、分注される。
【００２２】
また、マイクロ精製装置は、システム構成要素の性能および機器の故障を検出できるセンサを含むことができる。様々なタイプのセンサをシステム内に含むことができる。圧力センサを使用して、ポンプ障害状態、カラム流量障害状態およびモータポンプ障害状態を検出することができる。電気センサおよび光学センサは、糖、酵母、様々な栄養、アルコール、水およびｐＨバランスの含有率を測定することができる。温度センサは、内側カラム、熱交換器、水貯蔵レベル、エタノール貯蔵レベル、熱電冷却器、熱電加熱器、ならびに、周囲蒸留クローゼットおよび外側周囲環境を測定する。加速度計センサまたはひずみ計センサは、発酵タンク重量を測定する。電圧センサおよび電流センサは、カラム加熱要素、モータ、ポンプならびに電源入力電圧および電源出力電圧を測定する。無線センサは、Ｗｉ−Ｆｉネットワークまたはデータセルラネットワークを検出する。これらのセンサを介して、システム動作を監視することができる。センサデータを、センサから検出された情報を分析、処理および表示できるコントローラに送信することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】マイクロ精製システムの一実施形態の側面図である。
【図２】熱電機構を示す図である。
【図３】経時的なバッチ重量の変化を示すグラフである。
【図４】ジンバル機構を示す図である。
【図５】蒸留管プレートアセンブリの上面図である。
【図６】蒸留管プレートアセンブリの側面図である。
【図７】複数のカップリングを備える蒸留管を示す図である。
【図８】蒸留管カップリングの一実施形態を示す図である。
【図９】蒸留管カップリングの一実施形態を示す図である。
【図１０】蒸留管カップリングの一実施形態を示す図である。
【図１１】水とエタノールとを分離するために使用される多孔質膜の断面図である。
【図１２】システムコントローラと、マイクロ精製システムのセンサおよび制御機構に対する接続と、を示す図である。
【図１３】マイクロ精製装置とその他のシステムコンピュータとの間の通信接続を示す図である。
【図１４】バッチの蛍光を監視するためのセンサを示す図である。
【図１５】バッチを監視するための光学波長吸収センサを示す図である。
【図１６】バッチを監視するための光屈折センサを示す図である。
【図１７】バッチを監視するためのｐＨセンサを示す図である。
【図１８】バッチを監視するための酸素センサを示す図である。
【図１９】バッチを監視するための電気抵抗センサを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明のマイクロ精製システム１０１の構成要素について、図１を参照して説明する。一実施形態では、発酵タンク１０３は、下向きの力を検出し、対応する電気出力信号を生成する１つまたは複数のロードセル１０５上に載置される。ロードセル１０５は、エタノール変換プロセス全体にわたって、タンク１０３の重量とタンク１０３内のすべての含有物を監視するシステムコントローラ１５１に結合される。ロードセル１０５の出力信号は、検出された重量に比例する。一実施形態では、システムコントローラ１５１は、空のタンク１０３の重量を検出し、空のタンクの重量をオフセット値として保存する較正プロセスを実施することができる。次いで、システムコントローラ１５１が、タンク１０３中に投入される材料の重量および量を検出できるように、任意の検出された重量からオフセット値を差し引くことができる。材料のバッチが処理されるたびに、発酵タンク１０３の較正プロセスを繰り返すことができる。
【００２５】
システムコントローラ１５１は、生成されるエタノールの推定量に基づいて、材料の順序と投入されるべき量とを指示できる表示および／または音声命令を提供することができる。たとえば一実施形態では、ユーザは、所望のエタノールの量を入力することができる。システムは次いで、所望量のエタノールを生成するために必要とされる材料の予定量を算出し、特定量の糖および原材料を投入するように、ユーザに命令する。発酵プロセスを開始するために、蓋１１１を開き、特定の比率の糖および原材料をタンク１０３に投入する。
【００２６】
一実施形態において、糖は、発酵タンク１０３に加えられる第１の材料である。糖の重量をシステムコントローラ１５１によって検出し、対応する水の体積を決定する。糖を加えた後に、システムコントローラ１５１は、原材料を投入するように、ユーザに命令することができる。システムコントローラ１５１は、原材料の重量を検出し、原材料の量に関する命令および情報を提供して、発酵タンクに加えることができる。システムコントローラ１５１は、投入されている材料の重量を検出することができ、さらに投入する、調整中の投入の速度を遅くして停止および停止する、などの命令をユーザに提供することができる。システムコントローラ１５１は、所望の体積のエタノールを生成するためには材料の追加をいつ停止するかが、ユーザに分かるように、タンクに加えられる材料の体積を示すビジュアルディスプレイを有することができる。また、システムコントローラ１５１は、エラーが生じた場合にフィードバックを提供することができる。たとえば、システムコントローラ１５１が糖を加え過ぎたことを検出した場合には、システムは、過剰な糖に対して、発酵タンク１０３に加えられるべき原材料の量を増やすことによって、このエラーを補償することができる。
【００２７】
別の実施形態では、糖、酵母、ならびに、リン、硫黄、カリウム、マグネシウム、ミネラル、アミノ酸およびビタミンなどのその他の原材料構成要素を、発酵タンク１０３に結合される容器１９１に保存することができ、制御システム１５１は、容器に結合されるバルブ１９３を制御することができる。したがって、制御システム１５１は、必要な材料を発酵タンク１０３に加えることができ、それにより、糖、酵母のおよびその他の構成要素の投入が自動化される。また、システムは、初めに大量の初期量の材料を発酵タンクに手動で投入し、次いで、必要に応じて、容器に保存された追加の材料を加えて、バッチを調整することもできる。適切な体積および比率の原材料と糖とが発酵タンク１０３に投入されると、蓋１１１が閉まる。蓋１１１は、処理が完了するまで任意のその他の材料がタンク１０３に加えられないようにするロック機構を有してもよい。
【００２８】
上述のように、システムコントローラ１５１は、発酵タンク１０３内の糖の量を検出し、発酵プロセスに関して、対応する水の体積を算出する。システムは、発酵処理に必要とされる体積の水をタンク１０３に自動的に加えることができる。適切な水の体積は、水貯蔵タンク１８１からの水の規制流れに基づいて検出することができる。代替的には、システムコントローラ１５１は、水の重量を検出し、既知の体積重量に基づいて加えられる水の体積を算出することができる。システムコントローラ１５１は、水タンク１８１と発酵タンク１０３の間のバルブに結合される。システムコントローラ１５１は、バルブを開いて、水をタンク１０３中に流すことができ、また、適切な体積重量の変化が検出されると、バルブを閉じることができる。その他の実施形態では、水を発酵タンク１０３に手動で加えてもよく、システムは、適切な量の水が加えられた時点を示す。
【００２９】
システムは、撹拌機１０７を回転させることによって、発酵タンク１０３内の水、原材料および糖の適切な混合とバッチの材料を混合することができる。一実施形態において、モータ１０９を使用して撹拌要素１０７に結合されるシャフト１１５を回転させる。撹拌要素１０７は、回転する際にタンク１０３内の液体を循環させる細長の角度を付けられた混合羽根とすることができる。混合は、原材料中の酵母を、糖および発酵に必要とされる養分に接触させるために必要である。単一の撹拌機１０７が図示されているが、その他の実施形態では、複数の撹拌機を使用して、材料を混合し、タンク１０３の隅で糖と原材料とが凝集しないようにすることができる。
【００３０】
一実施形態において、制御システム１５１は、撹拌機１０７の回転抵抗つまり粘性によって、バッチ材料の適切な混合を検出することができる。抵抗つまり粘性が低いと、撹拌機１０７が水にのみ接触していることを示すが、抵抗が高くなると、撹拌機１０７が糖または原材料の塊に接触したことを示すことができる。システムは、バッチ材料を完全に混合するために、発酵タンク１０３内で撹拌機１０７およびシャフト１１５を動かすように構成することができる。混合プロセス中、回転抵抗は混合の状態の指標となる。回転抵抗が安定し、混合の適切な抵抗範囲に対応しているときには、材料を適切に混合することができる。適切な混合粘度が検出されると、材料を適切に混合することができ、発酵プロセス中に撹拌機１０７の回転を周期的に停止させたり、作動させたりすることができる。
【００３１】
発酵プロセス中、酵母は、水中で希釈されると、糖を吸収する。この反応により、発酵プロセスの終わりまでに、５０％のエタノールおよび５０％のＣＯ２が生成される。以下の化学式は、この変換をまとめたものである。
Ｃ６Ｈｉ２Ｏ６（グルコース）  →  ２ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ（エタノール）＋２ＣＯ２＋熱
【００３２】
その他の実施形態では、マイクロ精製装置は、セルロース材料を処理してエタノールを生成することができる。セルロースエタノールは、木材チップ、トウモロコシの穂および茎、麦わらならびにサトウキビの茎、幹および葉、あるいは、公共の固形植物廃棄物などの植物性廃棄物から作製される。セルロース燃料生産の利点は、マイクロ精製装置を地域的な作物材料を処理するように構成し、配送コストを低減できる点である。たとえば、米国中西部に設置されたマイクロ精製装置は、麦わらおよびトウモロコシ残渣を処理するように構成することができる。合衆国南部では、マイクロ精製装置は、サトウキビを処理することができる。太平洋北西部および南東部では、木材をエタノールに変換することができる。
【００３３】
トウモロコシのデンプンは酵素により容易に糖に分解することができるので、トウモロコシは容易に処理され、酵母がその糖を発酵させてエタノールを生成する。反対に、セルロースの茎および葉は炭水化物を含むが、これらの炭水化物は、その他の化合物としっかりと結合しているので分解および解体するのがより困難である。したがって、セルロース性農業廃棄物からエタノールを作製するためには、特別な処理が必要となる。より具体的には、炭水化物を分解するために、発酵タンク中に特別な酵素が必要とされる。特別な酵素だけでなく、農業廃棄物処理には、一般的に、農業廃棄物の糖を発酵させてエタノールにするために、加工されたバクテリアを必要である。
【００３４】
農業廃棄物に関する別の問題は、マイクロ精製装置の構成要素を損傷する可能性がある岩、泥および砂利などの地球物質と混合する場合があることである。損傷を防ぐために、処理の前に、グラインダを用いてセルロース材料を研磨して、材料をより細かく粉砕することができる。また、熱、圧力および酸をセルロース材料に与える機械を使用して、セルロース材料をグルコース糖と非グルコース糖に分離する。熱および圧力は、糖と繊維スラリーとの混合を生成する。非グルコース糖を繊維から洗い流し、グルコースベースの繊維を酵素で処理して、分解し、繊維から糖を分離する。次いで、分離された糖を特別なバクテリア微生物を用いて発酵させて、エタノール、水およびその他の残渣を含むビールにする。発酵後、マイクロ精製装置は、エタノール蒸気が蒸留管を通って上昇して、エタノールを水から分離するように、ビールを蒸発させる。上述のように任意の残りの水蒸気からエタノール蒸気を分離するために使用される多孔質フィルタによって、蒸留管からの蒸気を処理する。
【００３５】
別の実施形態では、グルコース糖と非グルコース糖とを分離するために、異なるプロセスが使用される。グルコース糖と非グルコース糖の混合は、セルロース材料を約２５〜９０重量％の酸溶液と混合することによって分離される。酸は、セルロース材料を少なくとも部分的に分解し、この材料を固体材料と液体部分とを含むゲルに変換する。次いで、ゲルを約２０重量％から約３０重量％に希釈し、そのゲルを加熱し、それにより、材料中に含まれるセルロースを少なくとも部分的に加水分解する。次いで、液体部分を固体材料から分離して、それにより、糖と酸とを含む混合液体が得られる。次いで、樹脂分離によって混合液体中の酸から糖を分離して、全部で１５重量％以上の糖と３重量％未満の酸含有率とを含む混合糖液が生成される。
【００３６】
混合糖を得る方法は、分離された固体材料を約２５〜９０重量％の硫酸溶液と混合することをさらに含み、それにより、固体材料をさらに分解して、第２の固体材料と第２の液体部分とを含む第２のゲルを形成する。第２のゲル液体は、約２０重量％から約３０重量％の酸濃度まで希釈する。次いで、希釈された第２のゲル液体を約８０℃から１００℃の温度まで加熱し、それにより、第２のゲル中に残っているセルロースをさらに加水分解する。第２の固体材料から第２の液体部分を分離して、糖と酸とを含む第２の液体が得られる。第１の液体と第２の液体と組み合わせて、混合液を形成する。グルコース分離プロセスは、２００４年１月２６に出願された米国特許出願第１０／４８５，２８５号により詳細に記載され、その内容は、参照として本明細書に組み込まれる。セルロース材料からエタノールを生成するための記載されたプロセスには、多くの利点がある。木の残留物、刈り取った芝生およびその他の植物の残骸は、通常、埋立処理場に廃棄される。これらの材料を使用してエタノールを生成することによって、創出される埋立地が大幅に低減され、マイクロ精製装置の原材料源が実質的になくなり、生成される温室効果ガスが少なくなる。
【００３７】
発酵の要件は、配合成分を適切な発酵温度範囲内に保つための適切な温度制御である。酵母温度が低すぎる場合には、酵母は休止状態になる可能性があり、発酵は遅くなり、温度が高すぎる場合には、酵母が死滅する可能性がある。酵母には様々なタイプがあるが、そのうちのいくつかは、高い温度許容度を有する。酵母培養寿命を維持するためには、発酵タンク１０３の内部温度は、約華氏６０度から華氏９０度でなければならない。発酵に速度を高めるために、温度を酵母の許容温度範囲の上限に維持することができる。
【００３８】
一実施形態において、システム１０１は、発酵タンク１０３に結合することができる熱電機構１１３も含む。熱電機構１１３は、ＤＣ電源によって電源供給され、タンク１０３内を最適処理温度に維持する。温度を均一に制御するために、複数の熱電機構１１３を、タンク１０３の様々なセクションに取り付けることができる。一実施形態では、システムコントローラ１５１が熱電機構１１３に結合され、温度変換器が発酵タンク１０３内に装着される。システムコントローラ１５１は、内部タンク温度に対応する信号を温度変換器から受信し、発酵タンク１０３が適切な温度範囲かどうか、あるいは、バッチを加熱または冷却する必要があるかどうかを判断する。上述のように、発酵プロセスは熱を生成し、それにより、いくつかの場合には、タンク１０３の加熱または冷却が必要でない場合がある。発酵タンク１０３が冷たすぎることをシステムが検出する場合には、システムコントローラ１５１は、直流電力を加熱動作モードの熱電機構１１３に印加する。発酵タンク１０３の温度が熱すぎる場合には、熱電機構１１３を冷却モードに切り替えて、熱電機構１１３の電力の極性を反転させることにより、タンク１０３の温度を下げることができる。また、システムコントローラ１５１は、発酵タンク１０３の温度が発酵に適切な、または最適な温度範囲である場合には、熱電機構１１３の電源をきることができる。最適温度は、発酵される酵母の具体的なタイプに左右されるが、典型的には、約２５℃から３０℃である。
【００３９】
別の実施形態では、システムは、発酵タンクから分離している熱電ラジエータ１１７を介してバッチを汲み上げ、次いで、そのバッチを発酵タンク戻すポンプ１１９を利用することができる。バッチが冷たすぎることをシステムコントローラ１５１が検出する場合には、ポンプ１１９が作動して、コントローラ１５１によって制御される熱電ラジエータ１１７を介してバッチを汲み上げ、バッチが加熱される。代替的には、バッチが熱すぎることをシステムコントローラ１５１が検出した場合には、ポンプ１１９が作動して、コントローラ１５１によって制御される熱電ラジエータ１１７を介してバッチを汲み上げ、バッチが冷却される。熱処理されたバッチ材料がすべて発酵タンク１０３に戻るように、熱電ラジエータ１１７の出口を発酵タンク１０３に結合することができる。
【００４０】
一実施形態において、システムは、幅広い環境で使用することができ、広範囲の周囲条件でエタノールを生成する能力を有する。これには、暑い地域で暑い季節に発酵タンクを冷却することと、寒い地域で寒い季節に発酵タンク１０３を加熱することが必要とされる。数多くの熱電機構１１３は、より極端な周囲温度に設置されたシステムで使用することができる。一実施形態では、より高いまたはより低い温度を補償するために、ユーザは、追加の熱電機構１１３を購入し設置するだけでよい。また、マイクロ精製システムを保護囲いの中に配置し、マイクロ精製システムに絶縁体を追加することによって、極端な周囲温度の影響を低減することも可能である。
【００４１】
図２を参照すると、一実施形態において、熱電加熱冷却機構１１３は、セラミックコア２０９を取り囲む２枚の金属プレート２０５および２０７を有することができる。帯電すると、プレート２０５および２０７は発振し、低温面２０５および高温面２０７が生成される。一実施形態では、２枚のプレート２０５および２０７は、常に、面２０５と面２０７の２つの温度差が６９度となるように維持する。システムコントローラ１５１によって制御されるＤＣ電源２０３によって、プレート２０５および２０７に電圧を印加する。熱電機構１１３の加熱出力および冷却出力は、電源２０３から印加された電力の極性を反転させることによって制御することができる。熱電機構１１３のサイズは直径約２から４インチと小さいので、熱電機構１１３は、発酵タンク内のバッチ材料のような小さな冷却および加熱アプリケーションには、理想的である。
【００４２】
熱電機構１１３を発酵タンク１０３の壁に装着しても、あるいは、図１を参照して上述したように、熱電機構を熱電ラジエータ１１７として構成してもよい。熱電ラジエータ１１７を介して発酵液体を汲み上げ、加熱および冷却することができる。したがって、熱電加熱冷却機構１１３および熱電ラジエータ１１７は、熱電機構１１３および熱電ラジエータ１１７に印加されるＤＣ極性を反転することによって、バッチ発酵タンクを冷却したり、システムコントローラ１５１を介してバッチを加熱したりすることができる。
【００４３】
好ましい実施形態では、発酵タンク１０３には、約２００ガロンの液体を保持すされる。熱電機構１１３は、この液体体積範囲の小さい発酵バッチに実用的であるが、より大きな商業的な発酵処理の熱制御を実行するために十分な熱エネルギーとしては足りない。これらの理由により、熱電機構を本発明のシステムとともに使用して、約２００ガロンの液体の温度を制御することができるが、より大きな１，０００ガロン以上の商業的な発酵処理タンクの温度制御には好適ではない。
【００４４】
発酵プロセスに関する問題は、いつも予測可能なプロセスとは限らないという点である。発酵プロセスを完了するために必要な時間は、糖および酵母の純度ならびにバッチ温度に応じて変化する。発酵経過を監視する１つの方法は、発酵液体の重量の変化を監視することによるものである。発酵中に、糖は、エタノールとＣＯ２とに変換され、ＣＯ２は発酵タンク１０３から排気される。したがって、ＣＯ２が排気される結果、バッチの重量が低減する。一実施形態では、発酵プロセス中にバッチの重量を周期的にあるいは継続的に確認するために、力センサ１０５が使用される。ＣＯ２が発酵タンク１０３から排気されるにつれて、バッチは軽くなっていく。システムは、バッチの重量変化を監視することによって、バッチ発酵の経過を監視することができる。バッチの初期重量を判定し、メモリ内に保存することができる。バッチ重量の変化は、糖をＣＯ２に変換し、ＣＯ２が発酵タンク１０３から排気されることによって引き起こされる。システムコントローラ１５１は、バッチの重量が既知の割合だけ低減したときに、発酵プロセスが完了したと判断することができる。代替的には、システムコントローラ１５１は、重量が低減される速さが遅くなるまたは停止したときに、発酵プロセスが完了したと判断することができる。また、ＣＯ２センサを発酵タンクに結合することもできる。ＣＯ２が排気されるので、タンク１０３中のＣＯ２のレベルが低いと、ＣＯ２がバッチによってほとんど生成されていないことを示す。
【００４５】
上述のように、力センサ１０５を使用して、発酵プロセスの初めに、タンク１０３に充填される糖、原材料および水の初期開始重量を検出することができる。次いで、所定の時間間隔で、力センサ１０５をサンプリングすることによって、重量を周期的に検出することができる。経時的にバッチの重量を監視することによって、経時的な重量変化の速さを使用して、発酵プロセス中のバッチの段階を判断することができる。たとえば図３を参照すると、経時的なバッチの重量のグラフ図が示される。プロセスの初めには、バッチの重量が非常に早く低下する。糖のエタノールへの変換が進むにつれて、重量が低下する速さが遅くなる。最終的には、重量があまり変化しなくなり、発酵プロセスが完了したことを示す。
【００４６】
バッチの重量を検出することに加えて、システムは、バッチの材料の化学検出を実行することもできる。一実施形態では、マイクロ精製装置は、図１に示されるバッチの化学的構成成分を検出することができるバッチ検査機構１７１を含み、バッチ検査機構は光学センサ、電気センサ、化学センサまたは任意のその他のタイプの化学センサを含むことができる。送達メカニズムは、バッチのサンプルを検査機構１７１に送達するために、ポンプ１７３に結合される管１７５を含むことができる。検査機構１７１は、コントローラ１５１に結合することができ、この検査機構１７１を使用して、発酵プロセス中のバッチの化学的バランスを確認することができる。検査機構１７１からの検出されたバッチ構成成分の量または比率は、ルックアップテーブルに保存する、あるいは、他の源によって提供することができる最適値と比較される。バッチ構成成分の最適な比率は、発酵中に変化する場合がある。測定値と最適値の差が大きい場合には、コントローラ１５１は、問題を示す信号を送信することができ、および／または、コントローラ１５１は、バッチをリバランスするために、化学的構成成分を発酵タンク１０３に自動的に加えることができる。発酵プロセス全体を通じて継続的にバッチを検査および調節することによって、バッチからのエタノール生成を最大にすることができる。化学的検査機構で使用されるセンサのより具体的な例および説明は、後述する。
【００４７】
糖および原材料を発酵させるための発酵タンク１０３について上述したが、本発明のシステムは、異なる材料を処理する機能も有し、ビール、ワインおよびその他のアルコール製品などのリサイクルされたアルコール飲料からエタノールを抽出することができる。ユーザは、糖発酵タンクまたは廃棄されたアルコールの処理装置のいずれかとして、マイクロ精製システムの機能を選択することができる。糖発酵モードでは、マイクロ精製システムは糖を発酵させて、上述のようなアルコールを生成する。また、アルコールリサイクルモードでは、エタノールへ変換するための蒸留システムによって処理する前に、アルコール製品を発酵タンク中に入れる。マルチ機能設計は、糖、または一般的にはバーやワイナリーで発見される廃棄されたアルコールのいずれかをリサイクルするための市場における利点を提供する。
【００４８】
糖の発酵の後で、または発酵中に、アルコール液を発酵タンクに加えることが可能である。処理装置は、いつアルコール飲料を加えることができるかを示すことができる。一実施形態では、コントローラは、蓋１１１に結合されたロック機構を作動させて、ユーザが材料を発酵タンク１０３に加えられないようにすることができる。酵母の反応により、液体の多くが二酸化炭素に変換されるので、発酵タンク１０３内の液体の体積は、発酵が完了した後で減少し、それによりアルコール飲料をリサイクルするための余地ができる。次いで、マイクロ精製装置は、バッチからエタノールを、ならびに廃棄された飲料およびその他の液体構成成分からアルコールを分離する。
【００４９】
蒸留システムで流体を処理することによって、水およびその他の液体から、エタノールが分離される。一実施形態では、本発明の蒸留システムは、ポンプ１２７と、加熱器１２８と、蒸留管１３１と、蒸留管１３１を垂直配向で配置するため使用されるジンバル機構１３９と、を含む。蒸留管１３１に装着されたジャイロスコープ１３２によって、垂直配向を維持することができる。ジャイロスコープ１３２は、蒸留管の垂直軸と位置合わせできるロータと、そのロータを回転させるモータと、を含む。ロータの回転は、任意の回転運動からジャイロスコープ１３２および蒸留管を安定させる。制御システム１５１は、ポンプ１２７を制御して発酵タンク１０３内の液体を加熱器１２９と通して汲み上げ、水およびエタノールを沸騰させ気化させる。気化した液体は、蒸留管１３１の底部へと配向される。蒸気が蒸留管１３１を通ってより高いところへ進むにつれて、エタノール分子が水分子から分離し、カラムの上部から出る。水およびその他の非エタノール液体が気化する場合、蒸留管１３１内で冷やされるので、これらの蒸気は蒸留管の側面に凝結しやすい。次いで、凝結した液体は、蒸留管１３１の頂部から出るのではなく、蒸留管１３１の内壁に付着したり、内壁から滴り落ちたりする場合がある。また、蒸留システムは、最適な分離温度で蒸気を生成するために、蒸気温度を監視し、加熱器１２８を制御する１つまたは複数の温度センサを含むことができる。過剰な熱によって蒸気速度がより早くなり、その結果、蒸留管１３１からより多くの水が出ることになるが、蒸気温度が低いと、蒸留管１３１からのエタノール流が少なくなる。
【００５０】
蒸留プロセスには、完全に垂直なアライメントの蒸留管１３１が必要とされる。蒸気は、ゆっくりと垂直に上昇し、蒸気が蒸留管１３１の中央を通って上に進み、頂部から出るので、側壁で流路が乱されることは全くない。蒸留管１３１が位置合わせされていない場合、上昇する蒸気は、管１３１の側部に流れ、その結果、エタノール蒸気が凝結し、蒸留システムの効率が低減される。同様に、垂直から離れるように傾いた側壁を上昇する水蒸気は、側壁では凝結できず、水とエタノールの分離が低減される。したがって、高い効率で蒸留するためには、完全に垂直なアライメントが必要である。
【００５１】
図４を参照すると、ジンバル機構１３９は、蒸留管１３１を支持し、管１３１が垂直なアライメントへと自然に回転できるようにする。一実施形態では、ジンバル機構１３９は、蒸留管１３１を取り囲む環３０９に管１３１を結合する内側ピボット３０５と、フレームに結合される固定支持３１１に環３０９を結合する外側ピボット３０７と、を含む。ピボット３０７および３０９は、摩擦の低いベアリングまたはブッシングを含むことができ、それにより、ピボット３０７および３０９が非常に低い摩擦で回転できるようになる。ジンバル機構１３９は、ジンバル機構１３９より下にある蒸留管１３１の重量によって管１３１自身が自動的に垂直配向に位置合わせするように、蒸留管１３１の重心より上に装着される。固定支持３１１がフレームにしっかりと装着されると、蒸留管１３１は、自動的に垂直なアライメントへ回転する。
【００５２】
一実施形態では、図１に示されたジャイロスコープ１３２が、蒸留管１３１の底部に装着される。ジャイロスコープ１３２は、ロータと、そのロータを回転させるモータと、を含む。ジャイロスコープ１３２の重量は、蒸留管１３１によって支持されるので、ジャイロスコープ１３２の重心は、重量でミスアライメントが起こらないように、蒸留管１３１の垂直中心軸と位置合わせすることができる。ロータの回転軸は、蒸留管の垂直軸と位置合わせすることができ、ロータが回転している間、マイクロ精製装置の任意の角運動が蒸留管の垂直なアライメントを変えないように、ジャイロスコープ１３２および蒸留管１３１を安定させる。一実施形態では、ジャイロスコープのスイッチを入れ、ロータが回転し始める前に、蒸留管１３１を垂直に位置合わせする。
【００５３】
蒸留管１３１は破損しやすい場合があり、いくつかの場合には、蒸留管１３１を動かないように定位置に係止することが望ましい。一実施形態では、垂直アライメントシステムは、蒸留管が回転しないようにするロック機構を含む。一実施形態では、システムは、ハウジングに結合された風速計および／または加速度計などのセンサによって、周囲条件を検出することができる。風速が非常に高いと、システムが動くことがあり、それにより、蒸留管が垂直アライメントから外れて動く。蒸留管に損傷を与える危険を冒すのではなく、システムは、所定の風速または加速度運動が検出されると作動できる「安全」モードを有することができる。たとえば、検出された風が４０ＭＰＨを超えることが検出され、あるいは、５．０を超える地震が検出されると、マイクロ精製装置は、蒸留管およびその他の破損しやすいシステム構成要素が安全位置に係止される安全モードになる。また、システムは、インターネット気象情報サービスなどの外部ソースからその地理的位置に関する気象警告を受信し、安全モード時間をスケジュールすることによって、暴風雨警報に応答することができる。また、コントローラは、電力サージまたは停電に起因して電気構成要素が損傷を受けないように、電力を遮断する、および／または、サージ保護を提供することができる。
【００５４】
一実施形態では、蒸留管に、アルコールから気化したビールを取り除くために使用される材料パッキングまたは水平多孔プレートを充填することができる。気化したビールおよびエタノールは蒸留管の底部から入り、混合蒸気は、管を上に向かって進むのが理想的である。水およびその他のより重い材料は、パッキングまたはプレートによって遮断される。反対に、エタノールは、蒸気の形態のままでいる傾向があり、蒸留管を上へ向かって進み続ける。これは、水とその他の汚染物質を、エタノール蒸気から分離するのを助ける。水平多孔プレートは、管の内部に水平に配向することができ、複数のプレートを、蒸留管の全長にわたって配置することができる。マイクロ精製装置が一時的に生成を停止したときに、潜在的な問題が生じる。水は、凝結および気化し、ビールは、パッキングまたは多孔プレート上に残り、システムを再び使用するときに、多孔プレートまたはパッキングの詰まりの原因となる。システムを再び使用する前に、凝結管全体を清浄しなければならないことがある。
【００５５】
この問題を低減するために、多孔プレート４０３を、一定の角度で蒸留管１３１の内部に装着することができる。図５は、プレートアセンブリ４０１の上面図であり、傾斜したプレート４０３に形成された孔４０５のうちいくつかを示す。図６は、アセンブリ４０１の側面図であり、プレート４０３の可能な角度を示す。水およびビール蒸気がプレート４０３上に凝結すると、重力は、プレート４０３の下側縁部に向かってこれらの液体を引き寄せる傾向がある。ビール液は、孔４０５から離れてプレート４０３の下側縁部に向かって動く傾向があるので、乾燥した汚染物質に起因する蒸留管およびプレート４０３へのダメージは、起こる可能性はほとんどない。環４０７は、蒸留管内に設置されると、蒸留管の内径の内側に密接に嵌合することができる。また、アセンブリは、修理またはメンテナンスのために容易に設置また除去できるシングルピースユニットとして複数の構成要素を一緒に保持する上側環４０７および下側環４０７を有することができる。アセンブリ４０１は、ステンレス鋼などの金属またはプラスチックを含む任意の好適な材料で作製することができる。また、アセンブリ４０１は、腐食および酸化を防ぐ保護仕上げを用いて、被覆または塗装することができる。その他の実施形態では、プレート４０３は平坦構造として示されるが、プレート４０３を非平坦としてもよい。たとえば、凝結した液体が、板の向かい合った下側側面を流れやすくなるように、板を逆「Ｖ」字形状としてもよい。
【００５６】
図７を参照すると、蒸留管１３１の一実施形態の側面図および関連するハードウェア構成要素が示される。一実施形態では、蒸留管１３１は、複数の部品に分解することができるマルチピースユニットである。この例では、３つのカップリング４２１を使用して、蒸留管１３１の様々なセクションを互いに固定している。しかしながら、任意の数の蒸留管セクションおよびカップリング４２１を使用できることが企図される。カップリング４２１は、蒸留管１３１を分解できるようにするために解除可能である。これは、プレートまたはパッキングを交換または修理しなければならない場合、あるいは、清浄のために内側表面にアクセスしなければならない場合に、特に有用である。これにより、所要時間を数時間から数分へと短縮することができる。また、マルチピース構成によって、必要に応じて、管１３１全体でなく欠陥部分を交換できるので、フィールドサービスおよび修理のために、蒸留管１３１をより簡単に輸送できるようになる。システムからの除去をさらに単純にするために、蒸留管は、蒸留管１３１の外径に固定されるクイック脱着フィッティング４２５を有することができる。フィッティング４２５は、温度センサおよび圧力センサに、ならびに、流体入口および出口に使用することができる。
【００５７】
カップリング４２１の一実施形態の詳細が、図８〜図１０に示される。図８は、結合状態のカップリング４２１を示す。カップリング４２１は、複数のピン４２７と、フック４２９と、を含み、これらは、蒸留管１３１の外径に結合される環４２３に装着され、構造的支持を提供する。ピン４２７およびフック４２９は、環４２３の周囲に分散する。蒸留管１３１のセクションを回転させることによって、フック４２９をピン４２７に固定し、蒸留管のセクションを一緒に固定する。一実施形態では、ロック機構４２６を使用して、環４２３が回転するのを防ぎ、蒸留管１３１の一部分が分離できないようにする。
【００５８】
図９を参照すると、蒸留管１３１を分解しなければならないときは、ピン４２７がフック４２９から外れるように、セクションを回転させる。図１０に示されるように、ピン４２７をフック４２９から分離させると、蒸留管１３１の各セクションを互いから分離することができる。その他の実施形態では、様々なその他のタイプのカップリング機構を使用して、蒸留管の各セクションを一緒に固定することができる。
【００５９】
マイクロ精製装置の通常動作中、高温のエタノール蒸気および水蒸気は、蒸留管１３１から出て、水分子をエタノール分子から分離する膜システム１３５を通って進む。膜システム１３５は、セラミック、ガラスまたは非常にコースな材料で作製できる多孔質分離膜を含む。図１１を参照すると、膜６０６は、水分子６０９は通過できるが、エタノール分子６１１が通過するには小さすぎる多くの小さい孔６０７を有する。蒸気圧がより高いと、より小さい水分子６０９は孔６０７を通って流れる。蒸気が膜６０６を通過することによって、水分子６０９が分離され、実質的に純粋なエタノール分子６０９が膜システムを通って出る。したがって、孔６０７は、水蒸気の直径よりも大きく、エタノール蒸気の直径よりも小さい。一実施形態では、孔６０７の直径は、約２から４０オングストロームとすることができる。
【００６０】
多孔質膜システムに関する潜在的な問題は、膜材料がこの熱ダメージを受けやすい場合があることである。特に、エタノール蒸気の温度が膜よりもかなり高い場合に、膜の「熱ダメージ」が起こり得る。たとえば、膜は、周囲温度であり、次いで、急激に高温のエタノール蒸気にさらされ、その結果、ダメージを受ける場合がある。膜の熱ダメージを防止するために、マイクロ制御警告システムが使用して、膜温度が確実に高温の蒸気を処理するのに適するように膜を予熱する。一実施形態では、膜の温度は、膜システムに取り付けられた熱電対によって検出される。制御システムは、加熱器および蒸留管を通って発酵タンクから出る流体流れを対象にしているので、高温の蒸気が蒸留管に向かう前に、膜の温度が検出される。図１を参照すると、膜が低温の場合、システムコントローラ１５１は、加熱要素を活性化し、膜温度を監視することができる。制御システムは、膜温度が上昇するにつれて、加熱器によって膜の過熱されないようにする自動温度調節設定を有することができる。膜温度が安全な温度まで予熱されると、システムコントローラ１５１は、高温の蒸気が蒸留管１３１を通って膜まで流れるようにすることができる。高温の蒸気が膜を通って流れると、蒸気は膜を加熱し、加熱要素に加えられる力を取り除くことができる。エタノールと水の分離プロセスを補助するために、バキューム１４３を用いて、多孔質膜を通して水蒸気を抜き取ることができる。
【００６１】
一実施形態では、膜システム１３５は、バックアップ膜１３５を有することができる。１つの膜システム１３５が損傷すると、コントローラが故障を検出し、コントローラ１５１は、バルブ１３６を作動させて、蒸留管１３１からバックアップ膜システム１３５へと水蒸気およびエタノール蒸気の流れを変えることができる。コントローラ１５１は、膜１３５が損傷したことを示す信号を、送受信器１９７を介して、オペレータまたはメンテナンスグループへ送信することができる。次いで、水蒸気とエタノール蒸気をバックアップ膜システム１３５によって分離しながら、損傷した膜システム１３５を交換することができる。
【００６２】
膜システム１３５およびバキューム１４３を通過した後、水は凝結し、発酵タンク１３１で再び使用される前に水貯蔵タンク１８１へと流れることができる。分離したエタノールは膜システム１３５から出て、次いで、熱電冷却器１６６を通って流れ、エタノールを凝結させて液体にする。次いで、液体エタノールは、貯蔵タンク１４５へと流れ、ガソリンと混合されるまでそこで保管される。貯蔵タンク１４５に結合された超音波センサまたはその他の液体センサは、貯蔵タンク１４５内の液体エタノールレベルを検出し、このエタノール生成情報をシステムコントローラ１５１に提供することができる。一実施形態では、システムコントローラ１５１は、エタノール貯蔵タンク１４５が満たされたときを検出し、貯蔵タンク１４５内に利用可能なスペースができるまで、蒸留プロセスを停止することができる。
【００６３】
一実施形態では、本発明のマイクロ精製装置は、エタノール貯蔵タンク１４５に保存されたエタノールを、ガソリン貯蔵タンク１５５に保存されるガソリンと、ユーザがシステムコントローラ１５１を介して設定した任意の比率で混合することができる。制御システムは、ユーザが所望の燃料配合比を選択できるようにするユーザインターフェースを含む。システムは、燃料混合設定が車両の最大許容エタノール率または最小許容エタノール率を超えないようにするロックを含むことができる。燃料混合が選択されると、ユーザは、通常のガソリンポンプなどのマイクロ精製装置の機能を使用することができる。ユーザは、マイクロ精製装置１０１上のクレードルからノズル１６３を取り外し、車両のタンク投入口内に置く。ノズル１６３に結合されたレバーを作動させて、燃料を、タンク１４５および１５５から、ホースリール１５７、ホース１６１およびノズル１６３を通って、車両のタンク投入口へ流すポンプ１４９を始動させる。システムは、特定の燃料比にするために、様々な流量で、エタノールポンプ１４９およびガソリンポンプ１４９を運転する。ノズル１６３は、車両タンクが満たされた時点を検出し、ノズル１６３を通る燃料の流れを自動的に停止する。車両タンクが満たされると、ユーザは、ノズル１６３をクレードルに戻し、燃料投入口のキャップを元に戻して、充填プロセスを終了する。エタノールタンク１４５から少なくとも部分的に排出されると、システムは、さらにエタノールを生成し始める。
【００６４】
エタノールとガソリンまたはその他の燃料との混合比は、燃料供給される車両のタイプに依存することができる。エンジンがその用途のために設計または改変されている場合にのみ、内燃機関で純粋なエタノールを使用することができる。しかしながら、エタノールは、改変されていない自動車エンジンで使用するために、様々な比率でガソリンと混合することができる。米国では、ガソリンで走るように設計された通常の車は、最大１５％のエタノールを含む混合燃料のみを使用できる場合がある。対照的に、米国のフレックス燃料車は、２０％未満、あるいは最大８５％のエタノールを含むブレンドを使用することができる。エタノール燃料ブレンドは、典型的には、文字「Ｅ」の後ろにエタノールの割合を伴って示される。たとえば、典型的なエタノール燃料の名称として、Ｅ５、Ｅ７、Ｅ１０、Ｅｌ５、Ｅ２０、Ｅ８５、Ｅ９５およびＥ１００などが挙げられ、Ｅ５は、５％がエタノールで、９５％がガソリンである。
【００６５】
また、それぞれのマイクロ精製システムによって実行される処理が完了した後、マイクロ精製システムを清浄することができる。一実施形態では、マイクロ精製装置は、清浄機構を含むが、その清浄機構は、発酵タンクに圧力を加えられた石けんおよび水をスプレーすることができ、それによりタンクおよびその他の構成要素から粒子が取り除かれる。次いで、システムは、石けんおよびその他の残留物を取り除くために、システム構成要素を濯ぐことができる。一実施形態では、ドレーンバルブを開けて、発酵タンクおよび蒸留システムからの廃液を、ドレーンホースを通してシステムから排出できるようにする。システムは、水道と高圧水を排出するスプレーノズルとの間に結合されたバルブを利用し、システムコントローラによって作動される自動清浄システムを含むことができる。スプレーを発酵チャンバ壁に向かって噴射し、堆積した材料をリモートすることができる。揮発性材料がマイクロ精製装置の内部表面から取り除かれると、ドレーンバルブを開き、廃棄材料を公共の排水システムへと流すことができる。
【００６６】
マイクロ精製装置は複雑な機構なので、操作を自動化し、エタノール生成の性能を最適化するために、センサおよびコントロールが使用される。マイクロ精製装置は、発酵タンク、ロードセル重量検出システム、温度制御システム、発酵タンクのための混合撹拌機、蒸留システム、膜分離システム、貯蔵タンクおよびブレンド／ポンプシステムを含む処理システムの動作状態を監視する様々なセンサを含む。これらのシステムはすべて、コントローラに結合されるセンサを含む。図１２を参照すると、システムコントローラ１５１の簡略化されたブロック図が示される。コントローラ１５１は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）６０１と、入力デバイスとすることもできるビジュアルディスプレイ６０３と、ボタン、キーパッドなどのユーザ入力機構６０９と、を含む。ＣＰＵ６０１がモータ、センサなどのアナログデバイスと通信するためには、アナログ−デジタル変換器６１１およびデジタル−アナログ変換器６１３が必要とされる。アナログ−デジタル変換器６１１を使用して、アナログデータ信号を、ＣＰＵ６０１が解釈できるデジタルデータ信号に変換し、デジタル−アナログ変換器６１３を使用して、ＣＰＵ６０１からアナログデバイスに送られるデジタル制御信号を変換する。また、ＣＰＵ６０１を、電子メモリ６０５に結合することができる。一実施形態では、コントローラ１５１は、マイクロ精製装置およびシステム構成要素の動作を検出する様々なセンサ３０５〜３１３ならびにマイクロ精製装置の動作を制御するコントローラ３１４〜３１７に結合される。
【００６７】
一実施形態では、コントローラ１５１は、音声ステータスインジケータまたはビジュアルステータスインジケータを発することができる検出されたセンサ２０５の情報を解釈することができる。また、コントローラ１５１は、マイクロ精製装置のステータスの指示を提供する照明１９９に結合することができる。照明の色で、システムステータスを示すことができる。緑色の照明は、すべてＯＫであることを示すことができ、黄色の照明は、システムが注意を必要としていることを示すことができ、赤色の照明は、システムが遮断されたことを示すことができる。図１に示すように、照明１９９は、最もよく見えるように、マイクロ精製装置１０１の上側表面に装着することができる。マイクロ精製装置１０１がその他から離れて設置される場合、ユーザがステータスインジケータを遠くから簡単に見えるように、ステータスインジケータ照明１９９をポールに装着してもよい。その他の実施形態では、システムが注意を必要とする時、あるいは、システムが遮断された緊急事態時に、可聴警報を鳴らすことができる。
【００６８】
図１３は、マイクロ精製装置１０１とその他のシステム構成要素との間の通信接続を示す図である。また、コントローラ１５１は、ワイヤード通信またはワイヤレス通信を介して情報を送受信できる送受信器１９７に結合することができる。たとえば、マイクロ精製装置は、コンピュータがマイクロ精製装置の動作および材料の処理を監視できるようにするコンピュータネットワークと通信することができる。コントローラ１５１は、マイクロ精製装置動作情報を送受信器１９７を介して、たとえば、検出されたセンサおよび生産情報をコンピュータネットワークを介して様々なその他のコンピュータまたはサーバ２２３に送信することができる。また、コントローラ１５１は、検出された動作状態に基づくマイクロ精製装置の動作のために、その他のコンピュータおよびサーバ２２３から制御命令を受信することができる。
【００６９】
送受信器１９７により、システムコントローラ１５１は、センサ出力データのような検出された動作情報を送信し、外部ソースから動作命令を受信できる。送受信器は、パーソナルコンピュータまたはその他のコンピュータ２２３に結合するネットワークと通信するワイヤードユニットまたはワイヤレスユニットとすることができる。また、ハードワイヤード通信ケーブルでオペレータのコンピュータ２２３と１つまたは複数のマイクロ精製装置１０１との間をつなぐことができる。マイクロ精製装置１０１とコンピュータ２２３またはネットワークとの間の通信は、ＷｉＦｉ、セルラもしくはサテライトのような無線周波数またはＩＲのようなオプティカルを含む様々な異なるモードを介することができる。たとえば、通信タイプは、マイクロ精製装置の場所に基づくことができる。私邸または商業ビルの近くにあるオペレータコンピュータ２２３は、ＷｉＦｉ通信システムを有することができる。ユーザのコンピュータ２２３から無線通信範囲外にあるマイクロ精製装置は、セルラまたはサテライト通信システムを必要とすることができる。
【００７０】
センサによって検出されたマイクロ精製システム情報を、マイクロプロセッサ６０１に送信し、メモリに保存することができ、および／または、次いで、送受信器に転送し、インターネットなどのコンピュータネットワークに送信することができる。送信タイプは、マイクロ精製装置の場所に基づくことができる。私邸または商業ビルの近くにあるコンピュータ２２３は、ＷｉＦｉ通信システムを有することができる。対照的に、より遠隔領域に配置されるコンピュータ２２３は、セルラ通信システムまたはサテライト通信システムを必要とすることができ、あるいは、複数のコンピュータ２２３および複数のワイヤレスットワークまたはワイヤードネットワークのような通信経路を必要とする場合がある。
【００７１】
通信システムを用いて、マイクロ精製装置は、ユーザのパーソナルコンピュータ、システムメンテナンスサービス、グループアドミニストレータ、サービスグループ、サプライ供給業者、行政機関またはその他のマイクロその他のマイクロ精製装置と、情報を送受信することができる。いくつかの場合には、情報を、マイクロ精製装置からユーザのパーソナルコンピュータに送信することができる。ユーザは、その情報を解釈し、パーソナルコンピュータからサーバまたはその他のコンピュータに情報を送信することができる。通信ネットワークを加えることによって、有線ＬＡＮ、ＷｉＦｉのようなワイヤレスネットワーク、セルラ接続またはサテライト接続のいずれかを使用して、遠隔通信が可能となり、マイクロ精製装置を遠隔的に監視することができる。通信システムを介して送信される情報を、システム動作監視、診断、動作最適化、政府機関に計上されるエタノール生成、材料備蓄監視および材料発注などを含む様々な目的に使用することができる。送信されたデータは情報の受信に依存することができる。たとえば、規制機関は、マイクロ精製装置からのエタノール出力を知ることしか必要でない。対照的に、ユーザまたはメンテナンス業者には、動作状態またはあらゆる処理エラーを知らなければならない。したがって、通常は、より多くのセンサ情報を、政府機関ではなくユーザまたはメンテナンス業者に送信する。
【００７２】
また、マイクロ精製装置のための通信システムをその他の目的に使用することもできる。たとえば、一実施形態では、通信システムは、本明細書に組み込まれる同時係属中の米国特許出願第１２／１１０，２４２号の「Ｍｅｔｈｏｄ  Ｆｏｒ  Ｕｓｉｎｇ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｃｒｅｄｉｔｓ  Ｗｉｔｈ  Ｍｉｃｒｏ  Ｒｅｆｉｎｅｒｉｅｓ」で論じられる炭素クレジットプログラムとともに使用することができる。炭素クレジットプログラムは、同じまたは同等の体積のガソリンの代わりに、このマイクロ精製装置によって生成されるエタノールを使用することに起因するＣＯ２排出の削減量に基づく価値を有するクーポンを発行することができる。炭素クレジットは、同じまたは同等の体積のガソリンの代わりに、このマイクロ精製装置によって生成されるエタノールを使用すると仮定する場合のＣＯ２排出の削減量に基づく価値を有することができる。エタノール対ガソリンのＣＯ２の排出は、直接的に定量化でき、ＣＯ２排出の削減量は、貯蔵タンク１４５中に流れるエタノールの体積を測定するセンサによって、正確に決定することができる。システムは、対応する炭素クレジットを、マイクロ精製装置の所有者について記録することができるように、マイクロ精製装置によって生成されたエタノールの容積測定値を自動的に送信することができる。
【００７３】
また、通信システムは、炭素クレジットを使用して、取引することができる。炭素クレジット購入者は、カーボンフットプリントを削減することによって、世界を改善したいと考え得る個人または企業体とすることができる。また、購入者は、炭素排出量を制限する最近の政府規則に適合するために、炭素排出量を削減する必要がある。炭素クレジットは、コンピュータネットワークベースの販売システムまたはインターネットベースの販売システムを介して、電気的に購入者に販売することができる。マイクロ精製装置は、利用可能な炭素クレジットの量を示し、特定の価格で炭素クレジットの１つまたはすべてを販売することができる。代替的には、マイクロ精製装置は、オークションウェブサイトを利用して、炭素クレジットの一部または全部を、最高入札者に競売で売ることができる。いくつかの場合には、マイクロ精製装置は、少量の炭素クレジットしかもたないことがあり、多くのマイクロ精製装置は、累積した炭素クレジットを一緒に組み合わせて販売することができる。
【００７４】
好ましい実施形態では、マイクロ精製装置の送受信器は、インターネットのようなネットワークを介して、ユーザコンピュータと、および／または、マイクロ精製装置の監視およびメンテナンスを補助することができるその他のサーバコンピュータと通信することができる。マイクロ精製装置は、動作情報をユーザのパーソナルコンピュータと共有し、ユーザは、マイクロ精製装置からのデータに基づいて、原材料を発注し、メンテナンスを実行し、任意のシステム誤作動を通知されることができる。マイクロ精製装置情報の受信は、生成されるデータのタイプに基づいて生じる。ユーザのコンピュータは、動作情報を、システムメンテナンスサービスグループ、マイクロ精製装置グループアドミニストレータ、マイクロ精製装置サプライ供給業者および政府関係機関のような様々なその他の実体に転送することができる。いくつかの場合には、複数のマイクロ精製装置が情報を共有する。たとえば、同じ地域に設置された複数のマイクロ精製装置は、その地域の最適な動作状態を特定するのを補助するために、エタノール生成出力を比較することができる。また同じ地域にあるマイクロ精製装置は、大量の供給を一緒に発注することができるように、また、輸送費用をその地域のマイクロ精製装置が分担できるように、供給情報を共有することができる。
【００７５】
適当な動作のためには、原材料を、マイクロ精製装置中に継続的にまたは周期的に入力しなければならない場合がある。原材料貯蔵エリアで力センサを使用することによって、原材料の供給重量を監視することができる。システムは、原材料が消費されるにつれて、処理タンクを原材料で自動的に満たすように構成することができる。また、システムは、貯蔵エリア内の原材料およびその他のバッチ構成成分もしくは添加剤の重量／量を検出することができる。貯蔵エリア内の原材料またはバッチ構成成分の供給が低いときに、システムは、ユーザ、システムメンテナンス保守業者またはサプライ分配業者に、バッチ材料を補給する必要があることを知らせることができる。
【００７６】
完全な処理条件のもとでは、バッチは、化学的構成成分を継続的にリバランスする必要がない。しかしながら、処理条件に変動がある場合、または、マイクロ精製装置を同時に使用してバッチおよび廃棄されたアルコール飲料を処理する場合には、システムは、発酵タンクのバッチの含有量を持続的に検査および調整しなければならない場合がある。糖含有率が高いアルコール飲料は、糖をバッチに与えることができる。また、必要な原材料は、廃棄されたアルコール飲料から生成されるエタノール量に依存して変動することができる。アルコール飲料からより多くのエタノールが生成される場合、必要な体積のエタノールを生成するために必要とされる原材料は少なくなる。
【００７７】
さらに別の実施形態では、システムは、貯蔵タンク中の処理されたエタノールの量を検出するセンサを含むことができる。貯蔵タンクがほぼ満たされている場合には、システムは、エタノール生成を低減することができ、貯蔵タンクが満たされている場合には、システムは、エタノール生成を停止することができる。したがって、エタノール貯蔵タンクがほぼ空であることをシステムが検出した場合、システムは生成を増加させることができる。蒸留処理を遅くする、または、停止することによって、生成を制御することができる。ユーザのエタノール需要とバッチの含有量とを監視することによって、システムは、材料の必要量を予測し、処理に利用可能な必要な材料を有することができるようになる。必要な材料が、必要とされるときに常に現場に存在するので、マイクロ精製システムは、生成を停止する必要はない。
【００７８】
原材料通知は、様々な通信手段を介して、ユーザに送信することができ、マイクロ精製装置から、ネットワークを介して、ユーザのコンピュータに送信されるグラフィカルユーザインターフェース信号でインジケータとして表示される電子信号を含む。代替的には、原材料通知は、電子メール通知、テキストまたは音声メッセージとして、ユーザのコンピュータまたは電話に送信することができる。その他の実施形態では、ユーザは、自動的に原材料供給業者に連絡し、原材料供給が低いときには、追加の原材料を要求する権限をシステムに与える、または、そのようにシステムを構成することができる。システムの材料が不足する前に、ユーザが供給を補給する機会をもつように、ストレージ内の原材料の残量が所定量になったときに、信号を送信することができる。
【００７９】
その他の実施形態では、原材料の配送は、定期的にスケジュールされ、行われる。システムは、生産要件または原材料の消費速度を検出し、発注を調節して予測されるエタノール生成よりも多い場合あるいは少ない場合を補償することができる。たとえば、生産要件は、システム内に貯蔵されたエタノールの体積に基づくことができる。システムは、自動的に、予備が低くなったときに、原材料の発注を増やし、貯蔵体積がほぼ全量になったときに、原材料の発注を減らすことができる。また、予定された消費速度に基づいて、原材料の発注量を調節することができる。
【００８０】
一実施形態では、本システムを使用して、マイクロ精製装置の動作エラーを検出することもできる。現場の問題により、機器の誤動作および極端な気象条件に起因して、機器の停止時間および費用のかかるその場でのサービス修理が生じる場合がある。機器の問題を検出するために、マイクロ精製装置は、システムの誤動作を検出する多くのセンサを含むことができる。図１３を参照すると、マイクロ精製装置および環境条件を遠隔的に監視することによって、システムに問題があるときに、システムは、ユーザコンピュータ２２３に知らせることができる。次いで、オペレータは、システムを検査することができ、問題を修復できる場合がある。ユーザが問題を修復できない場合には、ユーザは、サービスセンターに電話をかけることができ、修理担当者がマイクロ精製装置１０１に送られることがある。いくつかの場合には、マイクロ精製装置１０１は、自己診断を実行し、問題を判断することができる。ユーザコンピュータ２２３、サービスサーバコンピュータ２２３および／またはサービスセンター２２３に、この診断情報を送信することができる。
【００８１】
いくつかの設置状態では、ユーザが、マイクロ精製装置１０１の動作の管理を望まず、代わりに、保守業者にマイクロ精製装置をメンテナンスさせようとする場合がある。すべての情報を、システムメンテナンスサービスサーバ２２３またはマイクロ精製装置グループアドミニストレータコンピュータ２２３に送信することができる。ユーザコンピュータ２２３は、ステータスのような基本情報をマイクロ精製装置１０１から、サービスアップデートをユーザによって容易に解釈されるグラフィカル形式で保守業者２２３から受信することができる。したがって、マイクロ精製装置１０１は、様々な情報を、様々な形式で、様々なコンピュータ２２３に送信するように構成することができる。
【００８２】
一実施形態において、マイクロ精製装置の所有者は、遠隔システムアシスタンスのために、メンテナンス会社にアクセス権を与えることができ、マイクロ精製装置１０１からのセンサデータを、マイクロ精製装置１０１の動作を監視するメンテナンス会社サーバ２２３に送信することができる。メンテナンス会社は、表示の外観には興味がないので、マイクロ精製装置１０１からのデータ出力は、データをほとんどまたは全くフォーマットすることなく最初の未加工のデータであり得る「サービス出力モード」とすることができる。この未加工のデータは、メンテナンス会社によって遠隔的に監視される多くのマイクロ精製装置１０１をイネーブルするデータ送信のサイズを小さくすることができる。マイクロ精製装置１０１うちいずれかについて問題が検出される場合には、メンテナンス会社サーバ２２３は、デジタル命令をマイクロ精製装置１０１に提供することができ、問題を手動で調節する必要がある場合には、サービス技術者は、サービスまたはメンテナンスのためにマイクロ精製装置１０１に行くことができる。
【００８３】
一実施形態では、マイクロ精製装置１０１は、基本サービス要求をユーザコンピュータ２２３に送信するようにプログラムすることができ、問題が訓練された技術者を必要とする場合には、マイクロ精製装置１０１は、直ちに技術者を要求できるように、サービスセンターコンピュータ２２３に連絡することができる。また、マイクロ精製装置１０１は、故障または欠陥がある可能性のある構成要素を特定し、必要な構成要素をサービスセンターコンピュータ２２３に要求することができる場合がある。
【００８４】
一実施形態では、システムメンテナンスのうち一部を自動的に実行することができる。たとえば、図１を参照すると、一実施形態では、マイクロ精製装置は、水からエタノールを分離するために使用されるバックアップ多孔質膜１３５を有することができる。多孔質膜が損傷すると、マイクロ精製装置１０１は、問題を検出し、次いで、蒸留管の出口にあるバルブ１６１からバックアップ多孔質膜１３５へと自動的に切り換えることができ、それにより、エタノール生成を継続することができる。次いで、マイクロ精製装置１０１は、損傷したまたは欠陥のある多孔質膜１３５を修理するサービスを要求することができる。様々なその他のシステム構成要素は、故障の場合に自動的に使用できるバックアップユニットを有することができる。
【００８５】
企業および個人によって運転されるマイクロ精製装置の数が増えるにつれて、エタノール生成を監視する政府または規制機関が必要になってくる場合がある。商業用燃料の規制の下では、政府規制機関が精製生産情報にアクセスすることができ、商業用燃料の生成企業は、税収目的で、燃料販売量を政府機関に報告するように法によって求められることがある。同様の燃料生成の報告は、個人的に所有し運転するマイクロ精製装置に関する要件となる場合がある。しかしながら、個人のマイクロ精製装置が世界中の様々な遠隔地に広がって展開されるので、大型の精製装置を監視するように設計された従来の方法を使用して、政府機関が個人的な燃料生成を監視するのは困難である。
【００８６】
多くのマイクロ精製システムは、自身のシステムによって生成されるエタノールをどのように報告するかを知らない個人によって所有および運転されている。求められる情報を規制機関に自動的に伝えるために、マイクロ精製装置は、生成情報を周期的に機関のアカウンティングシステムに自動的に送信するように構成することができる。その他の実施形態では、マイクロ精製装置は、生成情報を保存することができ、規制機関は、生成情報にアクセスすることができる場合がある。マイクロ精製装置制御をコンピュータネットワークに結合することによって、生成情報を、この情報を必要とする任意の規制実体に容易に送信することができる。マイクロ精製装置データを電気的に送信することによって、ユーザは、手動でエタノール生成情報を取得し、それを規制機関に送信しなくてもよい。マイクロ精製装置との電子通信を可能にすることによって、マイクロ精製装置のエタノール生成を監視するための管理費も最小限になる。
【００８７】
一実施形態において、エタノール生成を、マイクロ精製装置１０１内の燃料フローセンサによって監視することができる。マイクロ精製装置１０１は、遠隔ブロードバンドインターフェースを介して、個人の燃料生成および／または消費を監視できる関連する政府機関のコンピュータ２２３に結合することができる。政府がエタノール生成情報を適切なマイクロ精製装置と関連付けることができるように、データを識別情報とともに送信することができる。マイクロ精製装置１０１からのエタノール生成が課税される場合、この税収は、地域政府機関、州政府機関、連邦政府機関に有利となり得る。
【００８８】
一実施形態では、マイクロ精製装置１０１は、遠隔制御フィーチャを含むこともできる。この実施形態において、システムは、マイクロ精製装置１０１の動作を制御する複数のアクチュエータを含む。遠隔制御には、ユーザならびに規制機関からアクセス可能とすることができる。規制機関が、政府規則違反があったことを判断する場合には、違反しているマイクロ精製装置１０１は、権限を有する政府機関によって遠隔的に遮断される場合がある。たとえば、規制機関は、マイクロ精製装置１０１からのエタノールの流れを制御する作動したバルブの遠隔制御を有することができる。バルブを遮断することによって、システムは、タンク中にあるエタノールを処理することはできるが、貯蔵タンク中のエタノールをマイクロ精製装置１０１から取り除くことはできない。その他の実施形態では、マイクロ精製装置の政府の制御は、遵守要件に関するマイクロ精製装置所有者および／または所有者コンピュータ２２３にメッセージを最初に送信することを含むアクティビティの進行を含むことができる。規制の遵守が、所定の時間間隔内に修正されない場合、規制機関は、マイクロ精製装置１０１の動作を制御し始めることができ、オペレータが規制要件に違反し続ける場合には、最終的にマイクロ精製装置１０１の動作を完了することができる。
【００８９】
上述したように、マイクロ精製装置は、マイクロ精製装置の様々な動作特性を検出する多くのセンサを含むことができる。センサデータを監視し、センサデータに基づいて調節することによって、マイクロ精製装置は、適切に維持され、最適効率で動作することができる。発酵プロセスに影響を及ぼす主な要因のうち１つは、バッチの温度である。一実施形態では、バッチの温度は、コントローラに結合される温度変換器によって監視される。図１を参照すると、コントローラは、熱電機構１１３に印加される電気エネルギーを制御し、熱電機構１１３を使用して、バッチ温度が最適温度範囲内に維持されるようにバッチの温度を調整する。システムは、約２５℃から３０℃とすることができるいくつかの設定温度範囲内のある設定温度に、バッチを維持することができる。温度は、発酵中に最も致命的となる場合がある。発酵プロセスの完了後、システムは、大気条件とともにエタノール温度が変化できるようにすることができる。これにより、システムは、バッチの加熱および冷却がもはや必要ではないときに、エネルギーを節約できるようになる。
【００９０】
一実施形態では、本システムは、バッチの検出された重量を、発酵時間に基づいて予測された重量と比較することによって、発酵経過を監視することもできる。理想的には、重量の変化は、発酵中、経時的に予測可能であり、また、予測された範囲内でなければならない。予測される重量の損失率からの偏差は、潜在的な発酵処理の問題を示すことができる。たとえば、発酵中の特定の点において予測される重量の損失よりも高い損失は、漏れまたは蒸発に起因する発酵タンクからの水損失によって引き起こされる場合がある。重量損失が予測よりも低い場合には、これは、発酵プロセスに問題があることを示す場合がある。バッチの重量損失率が適切でない場合、システムは、バッチに問題があるかどうかを判断するために追加の検査を実施することができる。一実施形態では、バッチのサンプルを検査して、酵母またはその他のバッチ構成成分が適切な濃度であるかどうか、また、糖が処理されているかどうかを判断することができる。
【００９１】
一実施形態では、マイクロ精製装置は、バッチ混合内の化学的構成成分を検出することができ、また、システムコントローラは、フィードバックを提供し、化学的不均衡が検出された場合には修正を行う。化学的検出は、エタノール出力を最大にするために、ユーザが、廃棄されたアルコール飲料または不均衡な配合成分混合を含む新しい原材料を混合するときに特に有用であり得る。たとえば、ユーザが、大量の酵母を含むが糖を全く含まない廃棄されたビールを処理する場合である。糖の不足により、アルコール発酵の速度の上昇が妨げられる場合がある。また、糖の不足により、エタノール処理に使用される藻類および微生物セルロース材料の成長が妨げられる場合がある。システムは、これらの化学的不均衡を検出し、必要な修正を行うことができる。別の例では、システムコントローラが加えられた糖が多すぎることを検出した場合には、システムは、過剰な糖を処理するために必要な酵母および原材料を増やすことによって、このエラーを補償することができる。マイクロ精製装置は、水、アルコール、糖、酵母およびその他の化学物質の比率を測定するセンサを含むことができ、それにより、適切な配合成分を加えてエタノール生成出力を最大にすることができる。
【００９２】
化学物質の適切な濃度を検出するために、コントローラは、化学物質の検出された量または比率を、電子メモリに保存されたルックアップテーブルに列挙された予測された構成成分測定値と比較することができる。上述のように、発酵タンクを重量センサおよび化学特性センサに結合することができる。化学特性センサは、バッチ中の１つまたは複数の化学物質の濃度を検出することができる。バッチ中の材料の構成成分および量を知ることによって、システムは、バッチが、最大エタノール生成について最適な混合であるかどうかを判断することができる。
【００９３】
ルックアップテーブルは、化学的構成成分およびそれらの相対濃度のデータベースとすることができる。たとえば、バッチは、８０重量％から９０重量％のグルコースなどの糖と、１０重量％から２０重量％の水と、０．５重量％のクロストリジウムスポロゲネスなどの酵母とで構成されるバッチで開始することができる。発酵処理が実行されるにつれて、糖含有率は減少し、エタノール含有率が増加する。発酵プロセス中、材料の相対重量が変化する。ルックアップテーブルの例が、下の表１に示される。システムは、周囲条件および／または処理される特定の材料に依存することができる様々な異なる構成成分値を有するルックアップテーブルを利用することができる。表１に列挙された材料に加えて、ルックアップテーブルは、Ｏ２およびＣＯ２のような様々なその他のバッチ処理構成成分を含むこともできる。
【表１】
0005457431.tif 000002
【００９４】
ルックアップテーブルは、発酵プロセスの経過の時点について検出されるバッチ特性測定値に関する最適データを含むことができる。適切な比率の化学的構成成分がバッチ中に存在する場合には、システムは、バッチ混合を変えず、発酵し続けることができる。しかしながら、バッチが化学的に不均衡な場合には、１つまたは複数の構成成分をバッチに加えて、化学的不均衡を修正することができる。糖がエタノールに変換されるにつれて、バッチ中の糖の比率は、すべてエタノールに変換されるまで下がって行く。
【００９５】
上述のように、エタノールの生成は、ＣＯ２も生成する。したがって、ＣＯ２ガスがバッチによって放出され、大気中に排気されるにつれて、バッチの重量も減少する。バッチは、所定の速度で発酵するのが好ましく、その発酵速度はセンサを用いて検出することができる。バッチが完全に処理される前に発酵速度が下がる場合、これは、バッチに、発酵の発生を妨げる問題があることを示すことができる。システムは、これに応答して、すべての動作条件を確認し、システムオペレータに警告を送信することができる。バッチ発酵処理が完了するときにも、発酵速度が下がる。糖含有率の減少、ＣＯ２排出およびバッチの重量の減少を監視することによって、システムは、バッチ処理のステータスを特定することができる。たとえば、システムは、バッチが、処理の１０％、４０％、８０％または任意の完了度であるかどうかを判断することができる。一実施形態では、システムは、糖および水をバッチに継続的に加えて、安定したバッチ量を維持し、発酵速度を最大にすることができる。
【００９６】
発酵処理の完了％に基づいて、ルックアップテーブルは、バッチに関する最適な化学組成および物理的特性を含むことができる。バッチの化学組成は発酵とともに変化するので、バッチ化学物質の相対量も経時的に変化する。ルックアップテーブルは、マイクロ精製装置内のメモリ内または通信ネットワークを介してマイクロ精製装置に接続されるオペレータコンピュータ内に保存することができる。また、マイクロ精製装置は、平均温度、湿度などの考慮する周囲条件に応じて、発酵プロセスの最適化および制御を助けるために、様々なプログラムされた原材料配合および対応するルックアップテーブルを保存することができる。
【００９７】
発酵の適切な配合および％が決定されると、対応する最適な化学組成および物理的特性がルックアップテーブル上で発見される。システムは、検出された化学組成と最適な化学組成とを比較することができる。現在のプロセス状態に関する化学物質の適切な比率が検出されない場合、システムは、任意の不足した材料を加えて化学的比率を修正することができる。したがって、化学物質の濃度が過剰であることが検出された場合、１つまたは複数のその他のバッチ構成成分を加えて、混合をリバランスすることができる。
【００９８】
一実施形態では、マイクロ精製装置は、検出された化学濃度を最適数と比較することができるが、表の数からの許容範囲の偏差は可能である。たとえば、化学的構成成分の許容量は、最適濃度の範囲とすることができる。システムが許容範囲外の化学的構成成分を特定すると、バッチに加えられる１つまたは複数の必要な化学的構成成分が特定され、必要な材料のそれぞれの量が算出される。
【００９９】
加えられる材料の推定量は、アルゴリズムによって決定することができる。たとえば、バッチに加えられるべき材料の重量による量は、式、量（Ｑ）＝（ΔＣ）（Ｗ）で求めることができる。式中、ΔＣは、検出された化学濃度と理想化学濃度の差であり、Ｗは、バッチの重量である。一例では、ルックアップテーブルは、化学的構成成分「Ａ」は、バッチの５重量％であるべきであり、構成成分Ａの測定量は、バッチの４％にすぎず、バッチ重量は、１００ｌｂｓであることを特定する。バッチに加えられるべき構成成分Ａの量Ｑは、（ΔＣ）にバッチの重量（Ｗ）を乗算することによって求められ、Ｑ＝（５％−４％）（１００ｌｂｓ）＝１ポンドの構成成分Ａをバッチに加えるべきである。
【０１００】
このバッチ修正情報を、システムの表示画面に表示する、あるいは、オペレータコンピュータおよび／またはサービスコンピュータに送信することができる。次いで、ユーザは、必要な構成成分を手動でバッチに加えることができ、あるいは、システムが、必要な構成成分を自動的に加えてもよい。上述したように、一実施形態では、システムは、構成成分用の容器を含むことができ、バルブを制御し、それにより、測定された量の構成成分をバッチに自動的に混合できるようになる。構成成分が不足している場合、システムは、自動的に配合成分をバッチに加えることができる。同様に、構成成分の濃度が高すぎる場合には、システムは、バッチ混合を修正および最適化するために、その他の配合成分を加えることができる。システムは、発酵処理全体を通してバッチ化学物質を監視し続け、バッチを修正する必要があるかどうかを判断することができる。
【０１０１】
一実施形態では、システムは、ユーザによって制御される場合があり、あるいは代替的には、システムは、材料混合の修正を行うために自動的に動作するようにプログラムしてもよい。マイクロ精製装置はコンピュータネットワークに結合されるので、これらの配合は、遠隔ダッシュボード通信システムによって更新し、または、オンラインサポートアシスタンスを介して提供することができる。適切または最適な配合は、周囲条件および使用される原材料配合成分に応じて変えることができる。上述したように、検査機構を使用して、バッチ中の水、エタノール、糖、酵母およびその他の化学物質のエラーを検出することができる。システムは、これに応答して、配合成分のうち１つまたは複数をバッチに加えることによって化学量または比率を自動的に修正することができる。また、代替的には、システムは、これに応答して、バッチ材料を調節しなければならないことを示すデータ信号を送信することができる。次いで、ユーザは、マイクロ精製装置コントローラを制御して、バッチ材料を調節することができる。
【０１０２】
バッチの特性を検出するために、図１に示される検査機構１７１は、バッチの糖含有率のようなバッチの特定の特性を測定するために使用される様々なセンサを含むことができる。図６を参照すると、バッチ中の糖は、電気化学センサ５０５を使用して検出することができる。センサ５０５は、特定の量のバッチを保持する流体容器、基準電極５０９、および、グルコースオキシダーゼを含む酵素電極５０７に結合される。酵素は、酵素電極５０７上で過剰なフェロシアン化物イオンを用いて再酸化される。電極５０７を通過する全電荷は、電流計５０９を用いて測定され、全電荷は、バッチ中のグルコースの濃度に比例する。電荷の量を規定された時間にわたって測定することができ、または代替的には、全電荷を反応が完了した時に測定することができる。電流計５０９は、バッチ中のグルコースの濃度を算出するコントローラ５１３に結合され、検出されたグルコースを標的濃度と比較する。グルコースの濃度が予測範囲内でない場合、コントローラ５１３は、バッチまたは動作条件を調節することができる。
【０１０３】
一実施形態では、検出システムは、バッチのサンプルに露光する光学システムを含むことができる。一実施形態において図１４を参照すると、光学検出システム３０７は、キセノンランプ７０１のような光源と、フィルタ７０３および７０５と、ＣＣＤ分光計７０７と、を含むことができる。バッチ７１１中の酵母培養蛍光および細胞濃度の両方を監視することができる。透過光は、ＣＣＤ分光計７０７の前にあるバッチ７１１中の酵母を照射する。発酵している酵母は、光源波長よりも長い波長に向かってシフトする蛍光放射を射出することによって、光に応答する。蛍光発光は、ＣＣＤ分光計７０７によって検出される。ショートパスフィルタ７０３により、蛍光励起とすることができる３００から４００ｎｍのスペクトル領域および光散乱信号とすることができる７００から８５０ｎｍのスペクトル領域における光透過を可能にすることができる。また、フィルタ７０３および７０５は、４００から７００ｎｍの領域のキセノンランプの出力を遮蔽して、蛍光放射との干渉を回避することができる。蛍光および蛍光の強度を検出することによって、ＣＣＤ分光計７０７は、酵母の発酵処理を検出することができる。
【０１０４】
また、バッチ検査機構は、バッチ中の化学的構成成分を判断できる化学的検出システムを含むことができる。一実施形態では、吸収分光学を使用して、固体、液体または気体とすることができるサンプル中に存在する物質と、その後に、物質中の１つのエネルギーレベルから別のエネルギーレベルへの電子の励起とを検出することができる。入射光子が吸収される波長は、バッチサンプル中に存在する様々な物質のエネルギーレベルの差によって判断される。様々な波長の光を使用して、化学組成を検出することができる。吸収分光学では、吸収された光子は、バッチによって再射出されず、吸収されたエネルギーは、光子の吸収に応じて、化学化合物に転送される。
【０１０５】
所与の波長において、測定された吸光度は、光吸収バッチ構成成分のモル濃度に比例することが分かっている。特定の化合物に関する照射吸収対波長の量は、「吸収スペクトル」として知られている。サンプルの共鳴エネルギーレベルに対応する波長において、入射光子のうち一部は吸収され、その結果、測定された透過強度と対応するスペクトルの傾斜とが低下する。吸収スペクトルは、分光計を使用して、スペクトルの形状、光路長および照射吸収量を知ることによって、測定することができる。吸収スペクトルを分析することによって、バッチ中の化合物の化学的構成成分および濃度を判断することができる。
【０１０６】
図１５を参照すると、気体センサ３０８の主構成要素は、赤外光源５２１、サンプルチャンバまたは光チューブ５２３、波長フィルタ５２５およびＣＣＤ分光計のような光検出器５２７である。気体は、サンプルチャンバ５２３に入り、標的構成成分の濃度は、赤外スペクトルにおける特定の波長の吸収によって電子光学的に測定される。光５２１は、サンプルチャンバ５２３を通って、検出器５２７に向かって配向される。光学フィルタ５２５は、選択された気体分子が吸収できる波長を除くすべての光を除去する検出器５２７の上に装着することができる。標的構成成分の検出された濃度を、標的構成成分のルックアップテーブル値と比較して、バッチ材料のステータスを判断することができる。検出された標的構成成分に基づいて、システムは、必要に応じて、バッチ処理を調節することができる。標的構成成分検出に加えて、光学システムは、光の異なる波長を吸収するバッチ中のその他の化学的構成成分の存在を監視することもできる。システムは、これらのその他の波長の検出を監視し、あるいは、バッチ中のその他の化学物質の相対濃度を検出するように構成された別個の光学センサを使用することができる。一実施形態では、バッチの発酵は、ＣＯ２の生成によって検出することができる。発酵中にＣＯ２が生成されるので、ＣＯ２の量は、発酵速度を示し、ＣＯ２の排出が停止した場合は、発酵も完了している。
【０１０７】
別の実施形態では、バッチ中の化学的構成成分の存在は、バッチ液体を通る光の屈折を測定するセンサによって検出することができる。図１６を参照すると、光源５３１と、流体チャンバ５３２と、光センサのアレイ５３５とを含む屈折検出システム３０９が示される。１枚のガラスは、光が流体チャンバ５３２を通過できるようにしながら、液体５０１から光源５３１を分離することができる。光ビームは、ガラスと流体の交点に第１の規定角度θ１で接触し、光ビームは、その交点で屈折し、それにより、光ビームは第２の角度θ２まで屈曲する。屈折角θ２を検出するために、センサのアレイ５３５を流体チャンバ５２３の反対側に直線的な構成する。光屈折は、ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ１＝νｌ／ν２＝Νｌ／Ν２またはΝｌｓｉｎθ１＝Ν２ｓｉｎθ２によって入射角が屈折角に関連することを述べるスネルの法則で説明される。これらの式の変数は、以下のように定義される。νｌおよびν２はそれぞれ対応する媒質を通る波速であり、θ１およびθ１は、それぞれ（界面に対して）垂直な平面と入射波との間の角度であり、ΝｌおよびΝ２は、屈折率である。
【０１０８】
異なる流体は、異なる屈折率をもつことができる。したがって、ある特定の化学的構成成分を含む流体は、その化学的構成成分をもたない流体とは異なる屈折率をもつことができる。この実施形態では、本システムは、検出された屈折率に基づいて、適切な化学結合を検出する。屈折角が求められる範囲内でない場合、システムは、流量コントローラに、貯蔵容器から流体５０１が流れないようにさせる。屈折光の角度は、正確に検出しなければならないので、レーザ光源を使用して、屈折角を測定してもよい。
【０１０９】
一実施形態では、マイクロ精製装置の検査機構は、バッチのｐＨレベルも検出し、発酵に最適なｐＨレベルとすることができる約４．０〜５．０のｐＨレベルに保つために、化学物質をバッチに加えることができる。図１７を参照すると、一実施形態では、ｐＨセンサ３１０を使用して、バッチのｐＨレベルを検出することができる。ｐＨセンサは、銀塩化銀半電池と接触している、固定したｐＨ値を有する溶液を含む絶縁管に封止されたｐＨ電極６５１を備えることができる。膜全体に展開された電位を、安定した基準電位と比較する。ｐＨ電極６５１は、多孔質の狭窄部を有し、それにより、バッチ流体が検査サンプル領域中に流れることが可能になる。電源６５９および電圧計６５５は、ｐＨ電極６５１に結合される。ｐＨ電極６５１は、バッチ液体に露出しており、電気抵抗は、ｐＨレベルに比例する。ｐＨ電極６５１の出力は、電圧計６５５によって検出される。
【０１１０】
ｐＨレベルは、ｐＨ＝−ｌｏｇ（Ｈ＋）と定義され、ここで、Ｈ＋は、通常の室温における溶液中の水素濃度であり、バッチが酸性または塩基性かどうかの指標となる。ｐＨ目盛は、０（酸）から１４（アルカリ）までの範囲である。ｐＨセンサの出力は、コントローラ６５７に結合され、バッチの検出されたｐＨ値を標的ｐＨ値と比較する。一実施形態では、バッチの標的ｐＨ値は４〜５であり、あるいは、メモリ内に保存されたルックアップテーブルに基づいて標的値を決定してもよい。ｐＨ値が、標的の値または範囲でない場合、システムは、オペレータに警告を発することができ、あるいは、酸性材料または基材を加えることによって、ｐＨレベルを自動的に調節することができる。システムは、ｐＨレベルを継続的に監視し、必要に応じて調節して、ｐＨレベルを標的範囲に保つことができる。
【０１１１】
別の実施形態では、検査機構は、バッチ中の溶解酸素量を検出することもできる。最適な発酵のためには、バッチは最小量の溶解酸素を含むことになる。図１８を参照すると、酸素検知システム３１２が示される。溶解酸素を測定するための例示的な技法は、アノード８０７およびカソード８０９を含む溶解酸素センサ８０５を含み、アノード８０７およびカソード８０９は、センサ本体内の電解質に浸漬されている。酸素は、拡散により、透過性膜８１１を通って、センサに入り、カソード８０９で還元されて、測定可能な電流が生成される。カソード８０９は、水素電極であり、アノード８０７に対して負電位を担持する。また、酸素透過性膜８１１は、測定されるバッチ液体からアノード８０７とカソード８０９とを分離し、酸素が、膜８１１全体に拡散する。酸素がない場合には、カソード８０９は、水素を用いて分極化され、電流の流れを阻止する。酸素が膜を通過すると、カソード８０９が脱分極され、電子を消費する。カソード８０９は、電気化学的に酸素を水酸化物イオンに還元し、アノード８０７は、対応して電子を放出しながら、脱分極の生成物と反応する。酸素は、プローブの内部構成成分と相互作用して、電流を生成する。溶解酸素センサの出力は、ミリボルト単位の可変電圧とすることができ、回路を通って流れる電流は、電流計８０５によって検出される。電極対８０７、８１１により、センサに入る酸素量と正比例して電流を流すことが可能になる。電流の大きさは、プローブに入る酸素量の直接的な測定値である。酸素濃度と電流は、線形関係である。電流計８０５からの出力は、検出された電流に基づいて、溶解酸素レベルを計算するコントローラ８１３に結合される。
【０１１２】
バッチ中の溶解酸素量は、発酵速度に影響を与えることができる。一実施形態では、１０％以下の溶解酸素レベルが許容できるが、よりレベル高いと、たとえば２０％であると、発酵速度が遅くなる。バッチに空気混入したり撹拌したりすることによって、溶解酸素を制御することができる。バッチ内に撹拌機を潜没させ、回転速度を遅くすることによって、溶解酸素レベルを下げることができる。一実施形態では、システムは、溶解酸素レベルを監視し、撹拌機の位置および速度を調節することによって、バッチの溶解酸素レベルを所定の範囲内に制御することができる。
【０１１３】
また、検査機構は、バッチの電気抵抗率を測定することができる。バッチ中の電解質は、電気抵抗を低減する。一実施形態では、バッチは、特定の濃度の電解質を含む。図１９を参照すると、抵抗率センサ３１３は、バッチのサンプル５０１を保持する検査容器５０３と接触しており、並列に設置され、既知の距離「Ｄ」だけ離隔した、既知長さの２つの電極５０７を含む。電圧５１１が電極５０７に印加され、電極５０７間のバッチ材料のサンプルの抵抗率が測定される。高純度のバッチ流体溶液は、高い電気抵抗率を有することができる。しかしながら、ナトリウム塩化物のような塩が水中に溶解すると、ナトリウムと塩化物は、一時的に分離する。ナトリウムは、正に電荷されたイオンになり、塩化物は、負に電荷されたイオンになる。これらのイオンは、水に溶解しているときには電解質として挙動し、バッチ流体の導電性をより高くする。したがって、センサ電極５０７に電圧が印加される場合、バッチサンプル５０１の抵抗率は、電解質の濃度に反比例する。濃度が高くなると、電気抵抗率は低くなる。電圧と抵抗率の関係は、（Ｒ）抵抗＝（Ｖ）電圧／（Ｉ）電流である。センサは、２つの電極５０７を含み、リード線全体に固定電圧が印加される。電極は、金属のような導電性材料で作製され、耐腐食性でなければならない。電流計５０９を用いて、電極間を流れる電流を測定することによって、バッチの抵抗を決定することができる。電流計５０９は、バッチの抵抗率を調節するために電解質を加えることができるコントローラ５１３に結合することができる。たとえば、バッチの検出された抵抗率が標的範囲内である場合、コントローラ５１３により、マイクロ精製装置は、バッチを処理し続けることができるようになる。対照的に、バッチの検査サンプルが最適範囲よりも高い電気抵抗率を有する場合、コントローラ５１３は、それに応答して、電解質をバッチに加えることができる。測定された電気抵抗率が最適範囲より低い場合、これは、バッチが、過剰な電解質、塩または発酵速度を下げることがあるその他の不純物を含む指標とすることができる。システムは、低い抵抗率の測定値に応答して、バッチの発酵処理を完了し、次いで、発酵タンクを清浄して、任意の追加の発酵処理を実行する前に、すべての不純物を取り除くことができる。一実施形態では、ルックアップテーブルは、上述されたセンサデータの一部または全部に関する最適値を含むことができる。次いで、システムは、センサデータを監視し、検知されたデータをルックアップテーブルと比較して、発酵処理を監視することができる。相当量のデータが存在するので、センサは、ニューラルネットワークの一部として、バッチ発酵処理を分析および予測するように構成することができる。
【０１１４】
発酵タンク中のバッチを検査するためのセンサに加えて、マイクロ精製装置は、膜分離システムの出口で、および／または、貯蔵タンク内で、エタノールと混合された水の存在を検出する１つまたは複数のセンサを含むこともできる。センサは、含水率を監視するコントローラに結合される。最大含水率を超える場合、マイクロ精製装置コントローラは、警告信号を送信することができる。エタノール中に水が存在すると、内燃機関用の燃料として使用するときに問題となる場合がある。一実施形態では、マイクロ精製装置は、貯蔵タンク中のエタノールに含まれる水を検出し、車両に汲み上げられる前にエタノールをガソリンと混合するときに水を減らす方法で、エタノールを処理することができる。一実施形態では、エタノールとガソリンの最大比は、エタノール中で検出される水の割合に基づくことができる。高い割合の水がエタノール中で検出される場合、より低い割合のエタノールをガソリンと混合して、燃料タンク中の水の総割合を最小にすることができる。代替的には、マイクロ精製装置は、さらなる濾過を通じて、エタノールから水を取り除くために、追加の処理を実行することができる。反対に、非常に低い割合の水が検出された場合、より高い濃度のエタノールをガソリンと混合して、水を過剰に使用しないようにすることができる。
【０１１５】
上述したように、マイクロ精製装置は、ネットワークを介して、データをその他のコンピュータに送信することができる。マイクロ精製装置によって検出されたセンサデータは、様々な異なる方法で処理および出力することができる。コンピュータネットワークに出力された信号が、ステータス情報あるいは原材料または修理／メンテナンスの要求を含むように、オペレーティングデータ解析のほとんどを実行するものとして、マイクロ精製装置について説明してきた。一実施形態では、システムは、未加工のセンサデータのすべてを、ネットワークを介して、マイクロ精製装置を動作させるためのソフトウェアを実行する遠隔メンテナンスコンピュータに送信することができる。メンテナンスコンピュータは、検出されたデータを分析し、一部または全部の計算を実行して、様々なシステムのステータスを決定し、原材料または修理／メンテナンスの要求を送信することができる。次いで、メンテナンスコンピュータは、ステータスあるいは原材料または修理／メンテナンスの要求を表示することができる。
【０１１６】
一実施形態では、システムは、誰が閲覧者であるかに応じて、異なる方法で、センサ情報を表示することができる。未加工のセンサデータは、ユーザが監視および理解するには、煩雑である場合がある。しかしながら、高度に訓練された技術者にとっては、すべての未加工のデータを含むビジュアルディスプレイが、マイクロ精製システムの問題を解決するための最良の手段となることができる。また、センサ出力を、グラフィカル「ダッシュボード」ユーザモードで表示することもできる。ユーザモードにより、システムが、ユーザが容易に理解する単純なフォーマットでベーシックオペレーティングステータス情報を提供する方法で、検出されたセンサ情報を表示できるようにすることができる。世界中のどこでも、マイクロ精製装置をオンラインで監視できるように、このグラフィカルダッシュボードをインターネットに出力することがきる。ユーザモードグラフィカルダッシュボードデータは、原材料レベル、水レベル、エタノールレベル、完了にかかる発酵タイムテーブル、将来の予定スケジュールおよび原材料配送日もしくはサービス修理日を含むことができる。
【０１１７】
特定の実施形態を参照して、本発明のシステムについて説明してきたが、本発明のシステムの範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に、追加、削除および変更を成し得ることが理解されよう。たとえば、説明された同じプロセスを、その他のデバイスに適用してもよい。説明してきたシステムには、様々な構成要素を含まれるが、これらの構成要素および説明された構成を修正および再構成して、様々なその他の構成にしてもよいことが十分に理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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