專利名稱：顯微藻懸浮液脫水的浮選分離方法和系統(tǒng)以及從藻中提取成分的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及從藻中回收成分的方法。更具體而言，本發(fā)明涉及從鹽生杜氏藻(Dunaliella salina)中回收混合類胡蘿卜素的方法。
背景技術(shù)：
類胡蘿卜素是在桔色和黃色蔬菜以及許多暗綠色食品中發(fā)現(xiàn)的深桔黃色顏料。β-胡蘿卜素是各種類胡蘿卜素中最豐富的一種。β-胡蘿卜素可通過人體轉(zhuǎn)化成維生素A。維生素A是一種脂溶性維生素，它可在人體內(nèi)貯存一段有限的時間，主要在肝臟內(nèi)，它與水溶性維生素不同，水溶性維生素是不能貯存的。如果攝取的量大時，維生素A可能是有毒的。然而，β-胡蘿卜素可根據(jù)需要被人體轉(zhuǎn)化成維生素A，它一般被認為是維生素A的無毒來源，即使量大時也是如此。
β-類胡蘿卜素被認為是抗老化劑，它能抵抗動物組織中氧化的破壞作用。為此和作為維生素A的無毒來源，β-胡蘿卜素是非常有價值的，是市場上重要的營養(yǎng)補品。最近對有益于健康的β-胡蘿卜素作為一種從混合類胡蘿卜素中分離的營養(yǎng)補品越來越關(guān)注，在混合類胡蘿卜素中β-胡蘿卜素一般是天然的。
制取包括β-胡蘿卜素在內(nèi)的類胡蘿卜素的植物可從許多來源得到，其中包括胡蘿卜、菠菜、和棕櫚油，但它們的相對濃度在杜氏藻屬藻類中較高。這些藻類通常是在濃鹽溶液中找到的。在適宜的生長條件下，混合類胡蘿卜素的含量可大于藻類干重的10％。
例如，在受高溫、強光和氯化鈉濃度高于每單位鹽水重量約20％的鹽水作用下，鹽生杜氏藻能積累大量的類胡蘿卜素和甘油。據(jù)認為類胡蘿卜素能保護藻類免于陽光的照射。類胡蘿卜素的濃度隨鹽水中鹽濃度的增加而增加，直至藻類允許鹽濃度的極限。
已經(jīng)提出許多方法從鹽生杜氏藻中回收β-胡蘿卜素、類胡蘿卜素和其它有價值的成分。鹽生杜氏藻提供了β-胡蘿卜素和其它類胡蘿卜素的來源，目前已由其加工成幾種營養(yǎng)補品。然而以不含可能有毒的溶劑和其它所不希望的物質(zhì)的形式從鹽生杜氏藻中經(jīng)濟有效地回收類胡蘿卜素是有些問題的。鹽生杜氏藻作為類胡蘿卜素的來源，其商業(yè)開發(fā)存在許多困難。
耐鹽的藻類，包括鹽生杜氏藻在內(nèi)，一般是在鹽湖中找到的，其中包括猶他州的大鹽湖。從湖泊和其它自然環(huán)境中收獲鹽生杜氏藻在工業(yè)上是行不通的，一部分原因是，在不控制生長的條件下所得到的濃度低。
在工業(yè)上，鹽生杜氏藻通常是從專門建造的戶外池塘中生產(chǎn)的培養(yǎng)液中收獲的。為了促進類胡蘿卜素的生產(chǎn)，戶外池塘一般是建在氣候炎熱干燥，很少降雨并幾乎沒有多云天氣的地區(qū)。
為了培育藻類，已開發(fā)出二種性質(zhì)不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖方法。它們是強化型和粗放型。這二種水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)都需要向介質(zhì)中加入肥料，供給必需的無機營養(yǎng)素、磷、氮、鐵和微量金屬，它們是通過光合作用生產(chǎn)生物體所必需的。
這兩種生產(chǎn)方式的主要差別是生長介質(zhì)的混合作用。強化型池塘采用機械混合裝置，而粗放型池塘是靠風混合的。因此，在強化的水產(chǎn)養(yǎng)殖方法中能更準確地控制影響藻生長的因素。
在強化型和粗放型兩種方式中，生產(chǎn)介質(zhì)中的鹽分被控制在規(guī)定的范圍以內(nèi)，通常氯化鈉與每單位體積鹽水重量的約18-27％。據(jù)認為這一濃度范圍能提供類胡蘿卜素的最高產(chǎn)量。據(jù)說約18-21％的鹽分是鹽生杜氏藻的最佳生長范圍。據(jù)說在鹽分大于約27％的條件下，藻的生物體中類胡蘿卜素的產(chǎn)量最高。還有人報道，在鹽分約24％的條件下，每單位體積鹽水介質(zhì)的類胡蘿卜素產(chǎn)量最高。
強化型養(yǎng)殖的戶外池塘一般稍貴一些，它們往往是由混凝土建造的，并裝有塑料襯里。鹽水的深度一般控制在20cm，據(jù)認為這是生產(chǎn)藻生物體的最佳深度。為了強化養(yǎng)殖提出了許多種形式的池塘。然而，具有露天引水道的池塘一般是商業(yè)上最重要的。有引水道的池塘采用槳輪進行混合?；瘜W和生物參數(shù)，其中包括鹽和肥料的濃度、鹽水的pH和培養(yǎng)液的純度被仔細地控制。
粗放型養(yǎng)殖在澳大利亞炎熱干燥的地區(qū)是可行的。粗放型養(yǎng)殖的戶外池塘，一般大于強化型養(yǎng)殖的池塘，而且通常是建在湖床上。露天池塘一般是由土筑的排水道連接。不采用混合裝置。池塘中的混合是由風產(chǎn)生的。為了使類胡蘿卜素的產(chǎn)量最高，要使池塘的深度和化學組成最佳化。
然而，在粗放型池塘中，類胡蘿卜素產(chǎn)量最高的參數(shù)、培養(yǎng)液純度和穩(wěn)定性，不象在強化型池塘中那么容易控制，這是由于缺乏有效的混合和粗放型池塘容積較大的緣故。鹽水的組成會發(fā)生波動。藻生物體的濃度比強化型池塘低。粗放型池塘對捕食者和競爭者的侵擾更敏感。
捕食者和競爭者在約20％以上的鹽分中一般是不能生存的。如果池塘的鹽分下降低于約20％，養(yǎng)殖可能受捕食者的侵擾，捕食者的數(shù)量可能迅速增加。它們將毀滅大量的鹽生杜氏藻，主要的捕食者是有纖毛的原生動物鹽田蠶豆蟲屬(Fabrea salina)和鹽水蝦鹽生鹵蟲屬(Artemia salina)。在鹽濃度低于約15％的條件下，其它藻類能與鹽生杜氏藻競爭營養(yǎng)素，增加的捕食者可能進一步減少鹽生杜氏藻的數(shù)量。
從鹽水中回收藻，粗放型池塘比強化型池塘更成問題，因為其養(yǎng)殖得更稀。然而，已經(jīng)觀測到，藻往往在粗放型池塘和天然鹽湖的邊緣富集成帶。藻時常被風吹過湖面或塘面，聚集在湖、塘的下風側(cè)，形成富集帶。已經(jīng)認識到，由于藻的濃度較高，收獲富集帶的能力能顯著提高生產(chǎn)的經(jīng)濟指標。盡管如此，然而收獲富集帶的令人滿意的技術(shù)還不能普遍使用。
從一個有收獲裝置的固定地點不斷地收獲富集帶通常是不可能的。通常有些風向是預料不到的，而且風向也可能經(jīng)常改變。富集帶可能在沿池塘或湖泊邊緣的不同地點上形成。當在具有收獲裝置的固定地點沒有形成富集帶時，當時處理的是貧藻的稀懸浮液，結(jié)果產(chǎn)量下降。由于處理費用與藻濃度有關(guān)，所以養(yǎng)殖的越稀，收獲費用就越高。
盡管如此，然而較高的收獲費用可能被強化型養(yǎng)殖建造帶塑料襯里的混凝土池塘的投資費用所抵消。對于土筑的粗放型池塘，每單位池塘容積的建造費用顯著低于強化型水產(chǎn)養(yǎng)殖帶襯里的混凝土池塘。
已經(jīng)認識到，如果能從藻天然生長的湖泊中收獲藻，則可以想象到能夠基本上取消池塘的建造費用、肥料費用和補充鹽水的費用。然而，一般認為從湖泊和其它天然環(huán)境中收獲藻是不經(jīng)濟的，不能商業(yè)應用。湖水中的鹽分、湖水中的礦物質(zhì)和營養(yǎng)素的組成以及天然鹽湖中的混合程度通常沒有任何調(diào)整。藻養(yǎng)殖得稀，其穩(wěn)定性可能是不可靠的。
處理養(yǎng)殖得稀的鹽生杜氏藻一般是不經(jīng)濟的，這一部分是由于從其生長的鹽水中分離藻時所遇到的問題和困難。藻具有流動性、不確定的密度和大約12-16μm×25μm的小橢圓形狀，這使藻有點難于收獲。
一般是采用化學絮凝劑或凝結(jié)劑與沉降器、離心機、過濾器、吸附裝置或其它分離裝置結(jié)合起來，從得到的鹽生杜氏藻鹽水中分離鹽生杜氏藻?？梢詰没瘜W處理，其中包括例如應用硅烷作吸附介質(zhì)來增強吸附。有人提出從藻中提取β-胡蘿卜素、類胡蘿卜素和包括甘油和蛋白質(zhì)在內(nèi)的其它有價值成分的各種方法。有人提出用烴溶劑、食用油溶劑和超臨界二氧化碳作為溶劑進行萃取?？捎脵C械裝置破壞藻以利于成分的提取。
化學添加劑，例如絮凝劑和凝結(jié)劑，限制了鹽生杜氏藻作為類胡蘿卜素和β-胡蘿卜素來源的商業(yè)開發(fā)，這一部分是由于向藻懸浮液中，特別是稀懸浮液中加入這些成分的費用。人們認為在營養(yǎng)補品方面化學添加劑、化學處理和烴溶劑是不希望使用的。
希望能在使用最少和不使用所不希望的添加劑的條件下，更經(jīng)濟更有效地收獲鹽生杜氏藻，并從其中提取類胡蘿卜素和其它有價值的成分。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種從顯微藻生長的介質(zhì)中分離顯微藻的方法，以便隨后從這些藻中分離成分。本方法包括氣泡吸附分離方法，它能使藻脫水，制成藻的富集物，然后可經(jīng)濟地從其中提取可提取的成分?？蓮姆秶軐挼某跏紳舛冗_到可提取濃度。能避免污染生長介質(zhì)和藻富集物的化學添加劑和化學處理。如果需要，在提取成分之后，可將生長介質(zhì)和藻的殘留物返回到其來源。
本發(fā)明能經(jīng)濟地使從天然湖泊和池塘中得到的稀懸浮液中的藻脫水。在稀懸浮液中，細胞濃度有時低至每毫升生長介質(zhì)含2000個細胞?？梢圆捎枚嗉墯馀菸椒蛛x設備為藻脫水。藻在隨后的氣泡吸附分離步驟中變得越來越富集。
可應用本發(fā)明收獲風成富集帶(Windrows)，本發(fā)明包括可移動式收獲處理設備。一方面，氣泡吸附分離方法采用充氣的泡沫浮選裝置，該裝置可由重量輕的塑料生產(chǎn)，而且地腳面積小。由于地腳小，該裝置可安裝在平板卡車、拖車、木筏或其它容易操縱的運輸裝置上，它們很容易被移到形成風成富集帶的地點。故可將設備送到富集帶去，而不是等待富集帶來到設備跟前。
本發(fā)明還能經(jīng)濟地為在粗放型和強化型養(yǎng)殖池塘中得到的較濃的懸浮液脫水，其中的細胞數(shù)有時達到每毫升生長介質(zhì)一百萬個。
本方法包括幾個步驟。首先從來源得到在生長介質(zhì)中的藻懸浮液，其來源可包括強化型池塘、粗放型池塘或天然湖泊，其中包括猶他州大鹽湖的鹽水，在大鹽湖中鹽生杜氏藻生長旺盛。在得到藻懸浮液之后，可用氣泡吸附分離法將其與水介質(zhì)分離。
在一方面，本發(fā)明一般包括分散氣體浮選方法，其中包括機械和充氣泡沫浮選方法、溶解氣體浮選方法和使這種杜氏藻屬藻的懸浮液脫水的電解方法，和在不存在所不希望的化學添加劑或化學處理的條件下從藻中提取成分?？梢允褂檬称芳壢軇?，這使從杜氏藻屬回收混合類胡蘿卜素得到高回收率。
電解浮選和溶解氣體浮選不必與分散氣體浮選是等價的。在水介質(zhì)是濃鹽水的情況下，電解浮選法需要較大的電流，因為鹽水比淡水更導電。氣體在濃鹽水中一般不如在淡水中容易溶解。
可先破壞包住藻體的膜，然后在不存在凝結(jié)劑或絮凝劑的條件下，用氣泡吸附法除去水，使鹽生杜氏藻脫水。雖然不希望受到理論的約束，但確信在包住藻體的膜破裂后，藻體隨后就吸附在與鹽水密切接觸的疏水性氣泡上?？梢圆捎酶呒羟袟l件一般可以預料這將破壞藻體的絮團，在本方法是針對著浮選絮凝的藻體的情況下人們認為這是不希望的。該藻似乎含有足夠濃度和能力的天然表面活性劑，很容易產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫。在下面的詳細敘述中討論了幾種破壞膜的方法。
泡沫浮選是分散氣體浮選的附屬裝置，在泡沫浮選中，氣體被分散成細氣泡。氣體可以是空氣或不含氧或氧化劑的氣體，以避免類胡蘿卜素的氧化。便細氣泡和藻懸浮液密切接觸，以便使藻吸附在氣泡的表面上，并形成氣泡和藻的附聚物以及貧藻的鹽水。使氣泡和藻的附聚物與液相分離，成為藻懸浮液的富集泡沫。
如果需要，可采用浮選助劑提高回收率。雖然至少使鹽水中的鹽生杜氏藻脫水不需使用絮凝劑或凝結(jié)劑，但如果需要，也可以使用。浮選已破壞的藻是通過藻附著到氣泡上而不是通過絮凝進行的?？刹捎酶呒羟袌鲂纬尚馀莶⑹箽馀菖c顆粒密切接觸，而在絮凝浮選過程中，一般采用低剪切場，以使絮團破碎最少。
通過使藻懸浮液產(chǎn)生液體射流并使液體射流通過空氣和射入藻懸浮液中的氣體分散體中，可將用于泡沫浮選的氣體分散成細氣泡。下面詳細討論的詹姆森槽(Jameson cell)是本發(fā)明的一個方面可以采用的一種裝置。
例如在一個柱中將氣體噴入液相，可把氣體分散成細氣泡。多級環(huán)流浮選柱，有時稱作“MSTLFLO”柱，是在實現(xiàn)本發(fā)明的這個方面中使用的一種裝置。
將氣體通入藻懸浮液并用機械方法剪切懸浮液和氣體，可把氣體分散成細氣泡。將氣體通入湍動的高速流動的液體中，其中包括一臺產(chǎn)生小氣泡的靜態(tài)混合器(static mixer)，可把氣體分散成細氣泡。液體一般是淡水、鹽水或表面活性劑溶液。
將上述裝置和其它裝置結(jié)合起來用于產(chǎn)生小氣泡并使氣泡與藻懸浮液密切接觸應當是有效的，這取決于條件和可利用的設備。
細氣泡與藻懸浮液的密切接觸可以按幾種方式進行?？梢允褂脵C械方法或充氣方法使氣泡與懸浮液混合。機械混合裝置通常采用具有豎直軸的旋轉(zhuǎn)攪拌器提供機械混合和充氣。也可以采用鼓風機充氣。
充氣混合依靠將氣體加入氣泡和藻懸浮液兩相系統(tǒng)中產(chǎn)生密度差引起混合。在每一種方法中，可使氣泡與藻懸浮液以逆流或順流流動或以二者結(jié)合的方式進行接觸。
一般重復使用泡沫吸附分離步驟，以便進一步富集藻懸浮液。在懸浮液中所得到的藻濃度，適合從藻中提取可提取的成分，其中包括從鹽生杜氏藻中提取混合類胡蘿卜素。
在本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明包括過濾藻懸浮液?？墒乖鍛腋∫号c深床過濾介質(zhì)接觸或使其通過過濾膜，例如在微濾器中，通常將深床過濾作為氣泡吸附分離方法之前的預濃縮步驟。藻一般是在過濾之前破壞的，雖然下面詳細討論的任一種破壞方法都足以破壞藻，但通常是使藻懸浮液通過足夠的壓降。為了得到適合高密度氣體萃取藻成分的藻濃度，將微濾作為在氣泡吸附分離方法之后進行的后富集步驟一般是有效的。
在另一方面，本發(fā)明包括使脫水的懸浮液與適宜的溶劑接觸，從脫水的藻懸浮液中提取成分。如果需要，可將溶劑預先分散在藻懸浮液中，用于隨后進行萃取。適合在本發(fā)明的實踐中使用的萃取溶劑包括食用油、香味劑、石油化學溶劑和高密度氣體，然而它們不必具有相同的效果。普遍認為香味劑是安全的，它作為萃取溶劑，一般具有極好的性能，其粘度較低，便于使用，它比食用油具有較強的溶解能力。在營養(yǎng)補品方面，石油化學溶劑通常是不理想的，為此往往避免使用。
如果在懸浮液中達到適宜的藻濃度，然后可用高密度氣體進行萃取，如果需要，高密度氣體可包括超臨界和準臨界二氧化碳和其它氣體。一般在泡沫浮選之后通過微濾膜富集藻，以便得到適合用高密度氣體提取成分的剩余液濃度。然而，如果需要，也可以在采用或不采用微濾步驟的條件下使用更普通的萃取方法。
因此，除了上面所述的以外，與收獲鹽生杜氏藻并使其脫水以及從藻中提取混合類胡蘿卜素的典型的現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明還提供一些比較經(jīng)濟有效的、在環(huán)境上比較安全的和在營養(yǎng)上合乎要求的方法。本發(fā)明可以從稀濃度、風成富集帶或更富集的來源中進行收獲。如果需要，可以采用可移動式收獲設備?？梢栽诓淮嬖谛跄齽?、凝結(jié)劑或其它所不希望的添加劑的條件下，由氣泡吸附分離進行脫水?？捎檬称芳壢軇母患脑逯休腿ˇ?胡蘿卜素和其它類胡蘿卜素，以生產(chǎn)食用來源的混合類胡蘿卜素。
附圖簡述已經(jīng)陳述了本發(fā)明的一些特征和優(yōu)點。當參照附圖敘述本發(fā)明的方法時，本發(fā)明的其它優(yōu)點將是顯而易見的，在附圖中

圖1是獲得藻懸浮液，使藻脫水并從藻中提取成分的工藝流程圖；圖2是用于破壞藻體的泵環(huán)路示意圖；圖3是藻懸浮液正交流微濾回路示意圖；圖4是圖3正交流微濾回路通量-時間曲線圖；圖5是描述泡沫浮選方法各個區(qū)的泡沫浮選流程示意圖；圖6是泡沫浮選流程示意圖，其中包括用于藻懸浮液脫水的粗選機、精選機和掃選機；圖7是機械泡沫浮選槽示意圖；圖8是單泄水管詹姆森槽示意圖；圖9是多級環(huán)流泡沫浮選柱示意圖，該柱也稱作MSTLFLO柱；圖10是加拿大柱示意圖，該柱有時也稱作氣泡柱或常規(guī)柱；圖11是一個優(yōu)良的泡沫浮選流程示意圖，其中包括詹姆森槽粗選機、第一級詹姆森槽精選機、第二級MSTLFLO精選機、正交流微濾單元、連續(xù)高密度氣體萃取設備和旋流分離器，用于制備混合類胡蘿卜素產(chǎn)品；和圖12是從藻中提取混合類胡蘿卜素和其它有價值成分的工藝流程圖。
詳述按照本發(fā)明概括的從藻的生長介質(zhì)中分離藻的工藝步驟示于圖1。下面就使含有鹽生杜氏藻的鹽水脫水，以便從鹽生杜氏藻中提取混合類胡蘿卜素來討論圖1。
在各種藻類中，鹽生杜氏藻是有點不同尋常的，因為它一般以單細胞含葉綠素的生物體出現(xiàn)，沒有真正的細胞壁。作為代替，可認為鹽生杜氏藻具有一種保護磷脂的膜，在本發(fā)明的實踐中，該膜被破壞。人們確認，在氣泡吸附分離條件下，是藻體內(nèi)的成分而不是膜產(chǎn)生鹽生杜氏藻在鹽水中的有利的表面活性行為的主要原因。
應當理解，據(jù)信這種杜氏藻屬包括多種杜氏藻屬巴達維爾(bardawil)，而且確信本文所述的本發(fā)明完全適用于杜氏藻屬巴達維爾。關(guān)于杜氏藻屬的分類學在文獻中有些混亂，有可能鹽生杜氏藻和杜氏藻屬巴達維爾(Dunaliella bardawil)是同一種藻。
然而，應當理解，其它藻類，淡水的藻類和鹽水的藻類，也可實施本發(fā)明的一些方面進行脫水，即使如此也不必具有相同的效果。應當理解其它藻類也可以包括所需要的成分，其中包括類胡蘿卜素、蛋白質(zhì)和其它有機化合物，如果需要，可根據(jù)本發(fā)明提取它們，即使如此，也不必達到相同的效果。據(jù)信，本發(fā)明的一些方面，一般也適用于過江藤屬綠藻門和紅藻門的藻類。
為了讀者方便起見，下面列出詳述中其余部分的詳述和實施例。I. 收獲藻II. 破壞藻細胞III.任選的化學助劑和化學處理，但通常是不必要的IV. 用機械浮選從生長介質(zhì)中分離藻V. 采用氣泡吸附分離使藻脫水A.一般考慮B.泡沫浮選C.泡沫浮選回路1.粗選(Roughing)2.精選(Concenfrating)3.掃選(Scavenging)D.機械浮選槽和充氣浮選槽概述1.機械浮選槽2.充氣浮選槽a.詹姆森槽b.多級環(huán)流浮選柱(MSTLFLO)c.加拿大柱d.布氣式水力旋流器(ASH)e.EKOFLOT充氣浮選槽f.MicrocelTM微氣泡浮選柱g.其它浮選裝置E.優(yōu)良的泡沫浮選回路VI.從富集的藻懸浮液中回收所選擇的成分A.純化和分離成分B.β-胡蘿卜素和其它類胡蘿卜素C.產(chǎn)品和應用D.甘油，蛋白質(zhì)和其它成分VII.實施例A.在泵環(huán)路中破壞細胞B.深床過濾C.微濾
D.泡沫浮選1.機械泡沫浮選2.充氣泡沫浮選a.詹姆森槽b.多級環(huán)流泡沫浮選柱(MSTLFLO)c.加拿大柱d.布氣式水力旋流器(ASH)E.回收有價值的成分1.溶劑分配系數(shù)2.液體萃取3.液體萃取傳質(zhì)動力學4.用萜二烯-[1，8]連續(xù)萃取類胡蘿卜素I.收獲藻回到圖1，按照步驟20從藻來源得到包含鹽生杜氏藻鹽水懸浮液的進料液。一般是將藻懸浮液從來源泵送到用于為藻脫水的設備中來取得進料液。一般采用離心泵收獲藻，然而也可用其它泵代替。離心泵是在化學工業(yè)上輸送各種液體最廣泛采用的泵之一。
有時希望采用可移動式收獲泵將藻懸浮液從來源輸送到脫水設備中?？梢圆捎眠@種方式應用本發(fā)明收獲風成富集帶。這種泵可以是浮動泵或潛水泵，否則可將泵安裝在容易在富集帶形成地點就位的木筏或其它裝置上。
本發(fā)明的脫水方法，主要靠使用地腳面積小的泡沫浮選柱。由于地腳小，該設備可安裝在平板卡車、拖車、木筏或其它容易操縱的運輸裝置上，這些裝置很容易移到或接近泵送地點，用于接受進料液。可將設備運到收獲地點，而不是等待收獲地點來到設備跟前。
作為進料液得到的藻懸浮液，其濃度可在很寬的范圍內(nèi)變化，從稀懸浮液到比較濃的懸浮液。本發(fā)明能使在天然湖泊和池塘中得到的稀懸浮液脫水。例如，本發(fā)明對從猶他州大鹽湖收獲本地種群鹽生杜氏藻懸浮液并使其脫水是有效的。
在稀懸浮液中的細胞濃度有時低至每毫升生長介質(zhì)2000個細胞。采用可移動式收獲泵可以提高獲得藻懸浮液的經(jīng)濟指標，因為可移動式收獲泵可以移動到形成風成富集帶的地點。
本發(fā)明能經(jīng)濟地使在粗放型和強化型養(yǎng)殖池塘中得到的較濃的懸浮液脫水，在懸浮液中的細胞數(shù)有時達到每毫升生長介質(zhì)一百萬個。II.破壞藻細胞如圖1步驟22所示，無論采用氣泡吸附分離還是采用深床過濾，在使藻懸浮液脫水之前破壞鹽生杜氏藻細胞一般是有效的。現(xiàn)已觀測到對已破壞細胞的回收率高，其量為每毫升懸浮液0.0003mg至0.3mg混合類胡蘿卜素。這一范圍相應于每毫升約2,000-3,000,000個藻細胞。
破壞細胞可在空氣存在下進行，但在沒有氧或氧化劑存在下進行更有利，以使被破壞細胞的成分對氧暴露得最少。可基本上消除包括類胡蘿卜素在內(nèi)的有價值化合物的氧化。適宜的氣體包括對藻細胞成分呈惰性的氣體，其中包括氮、二氧化碳、氬和其它惰性氣體以及這些氣體的混合物，一般認為這些氣體在化學上是不起作用的。
為了回收類胡蘿卜素，在充氣泡沫浮選之前破壞細胞是必要的。然而應當理解，充氣浮選裝置可在下面所討論的破壞細胞的條件下運行，所以不需要單獨的預先破壞步驟。細胞能在機械泡沫浮選裝置轉(zhuǎn)子和定子機械裝置產(chǎn)生的剪切場中破壞。對加入機械泡沫浮選裝置中的完整細胞而言，可利用的細胞回收率達到95％以上。如果在泡沫吸附分離方法之前或之后采用深床過濾富集藻懸浮液，如果深床要有效地捕集藻體，那么破壞細胞一般是必需的。
可以采用任一適宜的裝置破壞細胞?？梢圆捎脵C械裝置，其中包括高剪切混合器和法國壓榨機破壞細胞。也可以使懸浮液通過泵環(huán)路中的閥門循環(huán)破壞細胞。
使藻懸浮液在高壓下通過作為脫水步驟第一級的詹姆森槽也可以破壞藻細胞。下面就藻懸浮液脫水的泡沫浮選技術(shù)討論了詹姆森槽及其破壞細胞的操作。通過在詹姆森槽中破壞藻，可避免采用單獨的破壞步驟。
通過收獲泵返回一部分進料，可以很容易使懸浮液通過泵環(huán)路進行循環(huán)，收獲泵是用于將鹽水從來源輸送到脫水設備的。
圖2示出通過泵環(huán)路中的閥門循環(huán)懸浮液破壞藻細胞的裝置。下面在一些實施例中討論了圖2，這些實施例說明，對于在泵環(huán)路中破壞藻細胞，應如何確定壓降和循環(huán)百分數(shù)。
如圖2所示，通過泵38將藻懸浮液從來源34輸送到脫水裝置36，泵38可以是離心泵。由泵的排出管線40將鹽水供給脫水裝置。在泵的排出管線上裝有調(diào)節(jié)壓降的調(diào)節(jié)閥門42。鹽水通過進料入口管線44進入脫水裝置。為使鹽水從泵的排出側(cè)循環(huán)到吸入側(cè)，安裝了循環(huán)管線46。由于必須達到所要求的通過泵環(huán)路中閥門50循環(huán)的百分數(shù)，所以通過循環(huán)管線的流量是變化的。
藻懸浮液通過壓降破壞的細胞數(shù)由兩個參數(shù)控制。第一個參數(shù)是壓降的幅度。第二個參數(shù)是通過壓降的次數(shù)。被破壞的藻的百分數(shù)隨壓降和循環(huán)百分數(shù)的增加而增高。為了在低于約200psig的壓降下破壞40％以上的細胞，需要多次通過壓降。然而，在循環(huán)百分數(shù)大于約100％時，在壓降大于約150psig下運行似乎只有很小的好處。多次通過壓降能提高被破壞細胞的百分數(shù)。
已經(jīng)確定，使藻懸浮液通過由泵環(huán)路提供的壓降對破壞鹽生杜氏藻是有效的，在這種場合下，壓降為約50-200psig，循環(huán)百分數(shù)為約100-300。還已確定，壓降為約100-150psig及循環(huán)百分數(shù)為約200300是有效的。III.任選的化學助劑和化學處理，但通常是不必要的由于下面強調(diào)的各種原因，特別是從藻制得的產(chǎn)品用于營養(yǎng)補品的場合，通常不希望采用化學助劑和化學處理來收獲藻并使其脫水。應當強調(diào)，在本發(fā)明的實踐中化學助劑和化學處理通常是不需要的。在本發(fā)明的其它方面，應用本文所述的細胞破壞技術(shù)，可以避免用于脫水的化學助劑和化學處理。盡管如此，然而如果需要，也可任選地采用化學助劑和化學處理。
在脫水之前，可為各種目的按照要求或需要，將化學助劑加入藻懸浮液中。可將為提高分離效率而加入的化學助劑分為三類凝聚劑、表面改性劑和預分散溶劑。在回收類胡蘿卜素的下游萃取步驟中使用的溶劑，可在萃取之前，包括在懸液液脫水之前，在某些地點分散在藻懸浮液中。將這些溶劑稱作是“預分散的”。下面就本發(fā)明的萃取步驟討論了預分散溶劑在內(nèi)的溶劑。為了產(chǎn)生比較容易分離的較大的附聚物，可以加入凝聚劑，例如離子凝結(jié)劑和聚合的絮凝劑。為了使藻類更容易浮選，可加入表面改性劑，例如發(fā)泡劑和捕收劑。
在細胞破壞之后和在氣泡吸附分離之前，可在混合裝置中加入化學助劑。然而，按照本發(fā)明的實踐，通常不需采用所不希望的化學助劑使鹽生杜氏藻脫水。應用按照本發(fā)明的細胞破壞技術(shù)，足以使藻脫水。
化學助劑反過來又能影響由藻的成分制備的營養(yǎng)補品以及藻生長介質(zhì)的質(zhì)量和價值。有些化學添加劑是生產(chǎn)營養(yǎng)補品的過程中所不希望的。對藻生長介質(zhì)和藻殘留物而言，使用化學助劑可能引起處理問題。例如，當鹽水被返回湖泊時，在從大鹽湖得到的藻懸浮液的脫水過程中，要避免使用不希望的化學助劑。
從經(jīng)濟的觀點看，有些化學助劑是不希望的。當從天然湖泊和一些粗放型池塘得到的較稀的懸浮液中獲得藻時，為了凝結(jié)藻體需要大量的化學制劑，例如明礬。為了從藻體中分離化學添加劑，一般需要隨后有分離過程，這進一步增加了生產(chǎn)成本。
雖然通常不需要發(fā)泡劑，但可以認為，希望使用發(fā)泡劑來提高泡沫浮選過程中藻的回收率，發(fā)泡劑可在氣相或液相進入泡沫浮選裝置之前加入其中，或可直接加到泡沫浮選裝置內(nèi)的懸浮液中，以提高泡沫的穩(wěn)定性和產(chǎn)生小氣泡。發(fā)泡劑的實例包括2乙基己醇、甲基異丁基甲醇，也稱作MIBC、和Dowfroth 250。Dowfroth 250是一種發(fā)泡劑，在市場上可從位于密執(zhí)安州米德蘭的Dow化學公司購買。當使用發(fā)泡劑時則視藻懸浮液脫水方法的不同，發(fā)泡劑的用量會有些變化。發(fā)泡劑的用量一般為約5-25ppm。
然而應當強調(diào)，對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素而言，通常不需要發(fā)泡劑。雖然不希望受到理論的約束，但申請者確信藻含有足夠濃度和表面活性劑能力的化合物，使在飽和鹽水中產(chǎn)生小氣泡。
為了提高浮選的選擇性，可用捕收劑和抑制劑調(diào)節(jié)進料液中的藻。例如，可能希望提高氣泡的選擇性，使比吸附耐鹵細菌或其它不需要的競爭藻類或捕食者優(yōu)先吸附鹽生杜氏藻。捕收劑與藻體結(jié)合并使其附著或吸附到泡沫的表面上，所以藻體可用氣泡除去。另一方面，抑制劑與懸浮液中存在的不需要成分結(jié)合，基本上排除它們對氣泡的附著。在有大量污染物與藻一起被回收的其它場合，可能希望使用抑制劑。
凝聚劑包括合成的聚合物和離子凝結(jié)劑。離子凝結(jié)劑一般包括明礬或氯化鐵。一般希望避免凝聚劑。在本發(fā)明的實踐中，認為凝聚劑是不需要的。然而在本發(fā)明的不同方面可能確定它們是有益的并可使用它們得到好處，視具體情況而定。例如有時可采用凝聚劑來改善從深床過濾介質(zhì)中回收藻成分。IV.用機械過濾從生長介質(zhì)中分離藻回到圖1，本發(fā)明的方法可任選地包括各種過濾步驟。如步驟24和28所示，分別在從鹽水中氣泡吸附分離藻之前和之后，采用機械過濾步驟是有效的。一般在氣泡吸附分離之前，可采用深床過濾富集藻懸浮液。在氣泡吸附分離之后，可利用微濾富集藻懸浮液。然而應當理解，可以在氣泡吸附分離之前或之后，進行這些過濾步驟中的任一步驟，而且在某些情況下，氣泡吸附分離可能是不必要的。然而氣泡吸附分離一般為充分富集藻懸浮液以獲得其成分提供了最經(jīng)濟的手段。
為將藻懸浮液富集到在經(jīng)濟上可行的限度，即在進料中固體含量占約1％，深床過濾是一種有效的技術(shù)。超過此限度，深床過濾就有點不經(jīng)濟了。為了從過濾介質(zhì)中除去固體，隨著固體濃度的增加反洗會越來越頻繁。在過濾器的運行中，強制液體通過濾柱的壓力會更大。因此，在氣泡吸附分離之前，用深床過濾富集藻懸浮液一般是有效的，而在完成氣泡吸附分離之后，其效果則有點欠佳。
深床過濾是依靠粒狀介質(zhì)床，通常是砂床，藻懸浮液借重力通過其中向下流動。藻沉積在粒狀介質(zhì)的孔隙中和介質(zhì)顆粒之間的間隙中。
不應將深床過濾與粗濾混淆。粗濾一般是在網(wǎng)狀物或織物的表面上進行的。然而深床過濾卻將顆粒保留在它們的整個體積內(nèi)，每一個孔隙和間隙都具有保留流過其中的懸浮液中藻細胞的能力。
適宜的深床過濾介質(zhì)包括在上業(yè)過程中一般使用的介質(zhì)，例如石英砂、金剛砂、無煙煤、玻璃纖維及其混合物。可用淡水或鹽水洗滌過濾介質(zhì)以回收藻細胞，用于通過氣泡吸附分離進一步富集有價值的成分。
也可以使過濾介質(zhì)與溶劑接觸，以便從所捕集的藻細胞中回收有價值的成分。下面對從鹽生杜氏藻中萃取類胡蘿卜素所討論的溶劑，對從深床過濾器中的藻體內(nèi)萃取相同的成分應當是有效的。
深床過濾器既可回收完整的細胞，也可回收被破壞細胞的成分。在過濾之前使細胞絮凝可回收完整的細胞。然而，如果在過濾之前破壞細胞，一般可顯著地提高回收率。本發(fā)明對每毫升鹽水含有至少約0.002mg類胡蘿卜素的藻進料懸浮液的實際實用，類胡蘿卜素的回收率達到70％以上。在實施例中示出在本發(fā)明的實踐中應用深床過濾器的實例。
對于一些萃取方法或者為了其它原因，將鹽生杜氏藻中類胡蘿卜素的濃度提高到超過深床過濾或氣泡分離方法的實際限度是有效的。通常氣泡吸附分離方法的實際上限是類胡蘿卜素的最高濃度小于約10,000ppm。對于一些純化方法，其中包括高密度氣體萃取方法在內(nèi)，懸浮液中類胡蘿卜素的濃度大于約10,000ppm在經(jīng)濟上才是可行的。
已經(jīng)確定微濾能將鹽生杜氏藻鹽水懸浮液中類胡蘿卜素的濃度提高到超過氣泡吸附分離通?？赡苓_到的濃度，在滲透液中沒有可測量級的類胡蘿卜素損失。在本發(fā)明的實際應用中，應用微濾得到的濃度高達約20,000ppm。圖3是正交流微濾流程示意圖。在實施例VIIC中說明了采用圖3裝置的微濾。
如圖3所示，可將由例如泡沫浮選槽得到的鹽生杜氏藻鹽水懸浮液加到貯槽62中。該懸浮液通過泵64輸送到正交流微濾器66。在懸浮液進入微濾器之前，可任選地設置熱交換器68將其冷卻。微濾器裝有多孔膜，沿著該膜泵送藻的懸浮液。典型的膜可包括陶瓷材料，其中包括例如氧化鋯，膜的絕對標稱值通常小于10μm。
膜一般是圓筒形的，懸浮液由泵送通過圓筒。鹽水透過膜，作為滲透液從管線69排出。保留在懸浮液中的藻體流過圓筒，作為剩余液通過管線70。剩余液可以返回貯槽并通過過濾器循環(huán)幾次，直至達到足夠的濃度。采用另一種方案，可將剩余液送到另一級微濾器，或通過管線72直接送到萃取器。
類胡蘿卜素球體的直徑通常小于1/10μm，通常預料它在滲透液中的損失是很大的。由泡沫浮選裝置得到的懸浮液中的藻體，一般已被破壞，該懸浮液多少呈膠狀，通常預料它會使膜迅速堵塞。盡管如此，然而應用本發(fā)明的方法，在滲透液中一般檢測不出類胡蘿卜素，在開始的通量降低之后，透過膜的通量基本上保持不變，壓降沒有增高。
可將淡水加入進料或剩余液中，以降低懸浮液中的鹽濃度。當需要達到所要求的最終鹽濃度和類胡蘿卜素濃度時，可以加入附加的過濾和稀釋步驟。有時將稀釋后接過濾稱作“稀釋過濾”。圖4示出微濾和稀釋過濾的通量-時間曲線，下面就一些實施例討論了該曲線。V.采用氣泡吸附分離使藻脫水A.一般研究現(xiàn)在回到圖1，在按照步驟22破壞藻細胞之后，如果有的話，進行任選的過濾步驟24和28，當需要富集藻懸浮液時，然后按照步驟26進行氣泡吸附分離。
氣泡吸附分離是基于將藻細胞材料選擇性地吸附到通過藻懸浮液的氣泡的表面上。氣泡上升形成泡沫，一般從頂部將藻材料帶出。氣泡吸附分離方法適合從大量的鹽水中除去少量的藻。
現(xiàn)在多種氣泡吸附分離技術(shù)，其中有些產(chǎn)生泡沫，其中有些則不產(chǎn)生泡沫。對藻脫水有效的一種氣泡吸附分離技術(shù)，是稱作“泡沫浮選”的分散氣體浮選技術(shù)。圖5示出一般的泡沫浮選技術(shù)示意圖，其中是將氣體分散到液體中。
可在本發(fā)明的實踐中使用的其它氣泡吸附分離技術(shù)是電解浮選和溶解氣體浮選。然而，應當理解，對于這些方法都有實際限度，而且它們不必與分散氣體浮選是等價的。在電解浮選中，氣泡是電流流過即將與藻分離的水介質(zhì)產(chǎn)生的。如果水介質(zhì)是濃鹽水，那么產(chǎn)生氣泡可能需要較大的電流。在溶解氣體浮選中，氣體是在一個單獨的容器中在加壓下溶解在一部分進料液中的，然后將所得的混合物加入浮選容器中。壓力的突然下降使被溶解的氣體集結(jié)成小氣泡?？諝庠邴}水中的溶解度多少受到限制，因此可以選擇另一種不會對類胡蘿卜素發(fā)生有害影響且溶解較多的氣體，其中包括例如氦。
B.泡沫浮選如圖5所示，泡沫浮選裝置包括氣泡發(fā)生區(qū)84，捕收區(qū)86、分離區(qū)88和泡沫區(qū)90。其中有些區(qū)域所有區(qū)可以在同一個容器中，也可以不在同一個容器中，進料液80可在捕收區(qū)86也可在氣泡發(fā)生區(qū)84進入泡沫浮選裝置，視所選用的設備而定。在這兩種情況下，氣體通過藻懸浮液中的氣泡發(fā)生區(qū)分散在捕收區(qū)中，形成液包氣型的兩相分散體。希望在一定體積的藻懸浮液中產(chǎn)生大量的小氣泡，以使能與藻體發(fā)生碰撞的氣體表面面積最大。
在捕收區(qū)中，在有利于密切接觸的條件下，使藻懸浮液與細氣泡接觸。氣泡與藻發(fā)生碰撞，形成氣泡和藻的附聚物。希望在捕收區(qū)發(fā)生強烈的混合，以提供高頻率的碰撞。
氣泡和藻在捕收區(qū)形成附聚物以后，它們一般靠重力在分離區(qū)88與貧藻的鹽水分離。氣體的密度比鹽水低2-3個數(shù)量級。密度差促使氣泡和藻的附聚物浮動到氣液分散體的表面，附聚物在泡沫區(qū)90的表面上積累成泡沫。
富集類胡蘿卜素的泡沫從泡沫區(qū)溢流，成為液流93。一般用圖6所示的收集流槽122接受泡沫區(qū)的溢流，泡沫在流槽中破滅。底流92是貧藻的鹽水，從浮選裝置的底部排出，可以返回或廢棄。
適合氣泡吸附分離裝置使用的氣體必須是無毒和無公害的，其中包括空氣、氮、二氧化碳、氦、氬和一般認為在化學上不起反應的其它惰性氣體、及其混合物。為了避免在細胞質(zhì)中存在的類胡蘿卜素的氧化，不含氧或氧化劑的惰性氣體是特別有效的。
C.泡沫浮選回路在浮選回路中可以采用泡沫浮選裝置，使藻中存在的有價值成分的回收率和濃度達到最高。浮選過程較高的能量消耗，可由采用浮選回路達到的高回收率和高富集因數(shù)來補償。
圖6是串聯(lián)泡沫浮選柱的泡沫浮選回路示意圖，可將該回路與充氣泡沫浮選連接。然而應當理解，所闡述的原理一般適用于其中包括機械和充氣泡沫浮選設備的泡沫浮選回路。
圖6所示的泡沫浮選回路包括初選區(qū)94、精選區(qū)96和掃選區(qū)98。浮選容器的作用，取決于它在三個區(qū)中每一區(qū)回路中的位置。藻懸浮液作為進料液102進入粗選機100。粗選機的溢流為初級精選機106的進料流104。藻的富集物通過液流110從末級精選機108排出。為了提高類胡蘿卜素的回收率，由初級精選機106的底流為初級掃選機114提供掃選機進料液112。貧藻的鹽水廢液作為底流分別從粗選機100和末級掃選機116中排出，成為底流液118和120?？砂葱枰O置多級精選機和掃選機，以便得到最佳的產(chǎn)品回收率和濃度。如果需要，可以取消掃選機。采用另一種方案，可將粗選機的底流即液流118供給初級掃選機114作為進料液，以便在掃選區(qū)98進行處理。在這種情況下，如果需要，可將初級精選機106的底流返回粗選機100，或者作為廢液排出，或者加入初級掃選機的進料中。
1.粗選粗選區(qū)94中的粗選機100起初級泡沫浮選的作用，用于從鹽水中分離藻。采用粗選機的目的是得到高的藻回收率并同時適度地提高藻濃度。因此，粗選機一般是在有價值成分回收率最高以及富集因數(shù)最大的條件下運行。起粗選機作用的浮選裝置一般是在較高的表觀氣體速度下運行，其泡沫的深度比起精選機作用的浮選裝置薄。
作為進料102泵入粗選機中的藻懸浮液，可從包括天然湖泊或池塘在內(nèi)的藻生長來源中取得，或從包括強化型和粗放型池塘在內(nèi)的其它一些來源中取得。可根據(jù)需要按前述的方法對懸浮液進行預處理，以破壞細胞或用機械方法過濾鹽水?？蓪⒒畹耐暾募毎蛞哑茐牡募毎蛩鼈兊幕旌衔锛尤氪诌x機中。如果未經(jīng)預先的破壞步驟，粗選機的運行應使進料中的大多數(shù)細胞在粗選機中破壞。
產(chǎn)生的氣泡和藻的附聚物浮到氣液懸浮液的表面，它們在表面上聚集成富集的泡沫。富集物從粗選機溢流到收集流槽122中，然后流進圖11所示的貯槽252。可將粗選機的底流118返回到鹽水的來源、廢棄或由平行配置的一級或多級浮選裝置進一步處理。
2.精選藻懸浮液104作為粗選機100的溢流從粗選區(qū)94排出，由一臺或多臺串聯(lián)的精選機106、124和108進一步富集類胡蘿卜素。精選區(qū)的目的是生產(chǎn)富集類胡蘿卜素的藻富集物，以便進行回收。藻細胞富集在從每個精選機溢流出來的泡沫中。精選機106和124的溢流供下一級精選機作為進料。底流一般返回到前一級精選機的進料中。采用根據(jù)本發(fā)明方法的浮選，類胡蘿卜素的濃度通常至少可達約2000ppm。
精選區(qū)可包括單臺泡沫浮選容器，也可以包括多臺以串聯(lián)或并聯(lián)方式接受進料液的泡沫浮選容器。精選機的底流既可以廢棄、返回到粗選區(qū)、返回到前一級精選機、通入一臺或者多臺串聯(lián)或并聯(lián)配置的掃選機，也可采用其它方式處理，視底流液中類胡蘿卜素的濃度而定。
3.掃選在掃選區(qū)98中，采用另一種方法捕收損失在底流中的類胡蘿卜素，以使產(chǎn)品的回收率最高。掃選區(qū)的富集物126返回到精選區(qū)，掃選區(qū)的底流通常被廢棄或返回到鹽水的來源。掃選區(qū)可以包括單臺泡沫浮選容器，也可以包括多臺以串聯(lián)或并聯(lián)方式接受進料液的容器。
掃選區(qū)98示于圖6，其中包括三臺串聯(lián)的掃選機114、128和116。按前面所述的方法為掃選機提供進料。分別將掃選機114和128的底流130和132供給串聯(lián)的下一級掃選機作為進料。每臺掃選機的溢流126供給精選區(qū)作為進料。
D.機械浮選槽和充氣浮選槽概述適宜的泡沫浮選裝置包括商業(yè)上可利用的用于氣體和液體接觸的設備。這些裝置也稱作“槽”，可將它們分為兩大類機械浮選槽和充氣浮選槽。機械浮選槽一般包括用于分散氣體和提供氣泡與藻有效接觸的轉(zhuǎn)子和定子機械裝置，在足夠的速度下運行時，藻體在由旋轉(zhuǎn)攪拌器在機械浮選槽內(nèi)產(chǎn)生的剪切場中被破壞。如果攪拌器在足夠的速度下運行，就不需要單獨的破壞步驟。
充氣浮選槽可以非常容易地根據(jù)浮選裝置中沒有旋轉(zhuǎn)的攪拌器與機械浮選槽區(qū)分開。在充氣浮選槽中，只通過加入氣體使氣泡與藻發(fā)生碰撞，而沒有任何移動部件。一般需在充氣浮選之前破壞藻。然而，當充氣浮選槽在下面所述的適宜條件下運行時，藻體會在槽中被破壞。隨后的充氣浮選槽便不需在相同的條件下運行，而可作為精選機和掃選機運行，因為藻體已被破壞。
在泡沫浮選回路的任何地點或所有地點，都可以使用充氣或機械浮選槽，視設備的性能和分離目的而定。然而，充氣浮選槽一般優(yōu)于機械浮選槽。在設備容積和能量輸入一定的條件下，與機械裝置相比，在充氣裝置中可以達到較高的回收率和處理能力。這通常會導致投資和生產(chǎn)費用的下降。為了進一步節(jié)約費用和便于移動，充氣裝置可由重量輕、價格便宜的塑料制造。下面進一步討論這些優(yōu)點和其它優(yōu)點。
本文所述的機械和充氣浮選槽具有幾個共同的運行參數(shù)，其中包括氣相表觀速度Jg；氣體與進料的比例；浮選裝置中液體的停留時間；浮選助劑的用量；和浮選氣體的性質(zhì)。有幾個設計參數(shù)對各種泡沫浮選裝置也是共同的，其中包括捕收區(qū)的高徑比；分離區(qū)的高徑比；相接觸方法，其中包括順流流動、逆流流動、正交流動和機械混合；從漿體中分離氣泡和藻的附聚物的方法；和氣泡發(fā)生方法等。
泡沫浮選裝置的性能是以泡沫中類胡蘿卜素的濃度和類胡蘿卜素的回收率表示的。有幾個幾何參數(shù)和運行參數(shù)對每一種泡沫浮選裝置都是特殊的，但上面指名的主要參數(shù)對本文所述浮選方法的整個范圍都是共同的。
1.機械浮選槽機械浮選槽134的水力學特性示于圖7。機械浮選槽一般采用轉(zhuǎn)子和定子機械裝置136，用于氣體吸入、氣泡發(fā)生和提供氣泡與藻發(fā)生碰撞的液體循環(huán)。槽高與直徑的比例稱作“高徑比”，通常為約0.7-2。一般將4臺或多臺與圖7相同的槽子134串聯(lián)配置，以接近基本上完全混合，從而將液相短路減少到最少，每個槽的中央都裝有轉(zhuǎn)子和定子機械裝置136。一般安裝一臺輔助鼓風機，以便為浮選槽提供足夠的氣流。
捕收區(qū)和分離區(qū)分別為150和152，它們是在機械槽中的同一個容器內(nèi)。如果需要，可將機械槽密封，以便于氣體操作和循環(huán)，這樣做基本上不會氧化類胡蘿卜素。
利用用作氣泡發(fā)生器的旋轉(zhuǎn)攪拌器138，將氣體分散成細氣泡。旋轉(zhuǎn)的攪拌器產(chǎn)生低壓區(qū)，使氣體通過吸氣管148流進捕收區(qū)150，氣體在該區(qū)分散成細氣泡，隨著懸浮液從槽底循環(huán)，氣泡便與藻懸浮液混合。
藻懸浮液作為進料液140通過進料箱141進入機械槽。氣泡與藻的接觸是由旋轉(zhuǎn)攪拌器產(chǎn)生的渦流引起的。氣泡和藻的附聚物從捕收區(qū)150流進分離區(qū)152，分離區(qū)是比較平穩(wěn)的，它們在該區(qū)浮到表面上并與液相分離。
氣泡和藻的附聚物借重力與液相分離，并作為富集類胡蘿卜素的泡沫聚集在槽頂部的泡沫區(qū)154內(nèi)。富集類胡蘿卜素的泡沫作為藻富集物的液流144排出。泡沫通常從槽內(nèi)溢流到收集流槽中。采用另一種方案，泡沫可由機械裝置例如泡沫刮板排出。液相循環(huán)到捕收區(qū)并最終作為貧藻的鹽水底流146從槽中排出。
適當設計的轉(zhuǎn)子和定子機械裝置會夾帶適量的氣體，并將其分散成細氣泡，使氣體與液體混合，在藻和氣泡之間進行充分的接觸。在兩相混合區(qū)中，必需有良好的混合和足夠的液體保留時間，以便提供氣泡與藻的高碰撞效率以及優(yōu)良的浮造性能。
對于機械浮選槽，定義Jg為氣體體積流量除以平行于泡沫與液體界面的槽橫截面面積。隨著Jg的增加，氣體在液相中的滯留量增加，在泡沫中的滯留量減少，這能導致浮選動力學加快，而不會降低泡沫中按不含氣體計算的類胡蘿卜素濃度。對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，Jg值為約0.1-5cm/s，該值為約2cm/s至4cm/s多少更有代表性。
液體的停留時間被定義為機械槽中分散體的體積除以液體的體積流量。停留時間越長，泡沫中類胡蘿卜素的回收類就越高。對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素的連續(xù)運行而言，停留時間為約3-12min。停留時間大于5min多少更有代表性。
在機械槽中，氣體與進料的比例低的優(yōu)點，包括減少設備的容積和鼓風機的費用。對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，氣體與進料的比例為約5-20。氣體與進料的比例為約5-15多少更有代表性。
攪拌器的葉尖速度影響氣泡的大小和通過捕收區(qū)循環(huán)的流量。隨著葉尖速度的增加，氣泡的大小下降，通過捕收區(qū)循環(huán)的流量增大。然而，葉尖速度越高，機械磨損和驅(qū)動攪拌器的功率要求也越大。在高葉尖速度下氣泡和藻的附聚物可能被破壞。對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，葉尖速度為約900-2500ft/min。葉尖速度為約1500-1800ft/min多少更有代表性。為了破壞藻體，葉尖速度高于約1500ft/min是有效的。
機械浮選槽有四個主要幾何參數(shù)。這些幾何參數(shù)是1)轉(zhuǎn)子浸沒深度與液體深度的比例，2)槽直徑與攪拌器直徑的比例，3)液體深度與槽直徑的比例，和4)轉(zhuǎn)子和定子機械裝置的設計。對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，轉(zhuǎn)子浸沒深度與液體深度的比例為約0.7-0.75。槽直徑與攪拌器直徑的比例為約1.5-5.5。多少更經(jīng)常采用槽直徑與攪拌器直徑的比例為約2。液體深度與槽直徑的比例為約0.6-0.9。液體深度與槽直徑的比例為約0.8-0.9多少更有代表性。
轉(zhuǎn)子和定子機械裝置包括康涅狄格州米爾福德的Dorr-Oliver股份有限公司；科羅拉多州的division of Svedala of Colorado Springs，Denver設備公司；猶他州鹽湖城的Wemco Products；和芬蘭的Outomec Oy of Espoo生產(chǎn)的那些裝置。
2.充氣浮選槽充氣浮選槽在幾個方面不同于機械攪拌槽。充氣浮選槽中的氣泡是由本領域已知的任何非機械方法產(chǎn)生的。氣泡可由多孔的管式分布器、孔板、文杜里噴嘴、或靜止混合器產(chǎn)生。當使用靜止混合器時，通常使發(fā)泡溶液與氣體混合。
有些充氣槽產(chǎn)生的氣泡比機械槽更細。因此碰撞的頻率可能更高，用充氣浮選槽浮選，需要的溶液停留時間一般更短。
充氣浮選槽，特別是浮選柱，高徑比通常比機械槽大。在充氣槽中容器的高度與直徑的比例一般較大。充氣裝置能在較深的泡沫床下運行，這為增長排出時間和使泡沫含水更少更富集創(chuàng)造了條件。由于容器的高度通常多少大于容器的直徑，所以可向泡沫中加入洗水，以提高產(chǎn)品的純度。
與機械槽相比，充氣浮選槽的另一個優(yōu)點是重量較輕，材料和制造費用較低。充氣浮選容器可由價格便宜重量輕的塑料制造。由于沒有攪拌器和驅(qū)動裝置，重量和費用還要減少。由于不需要用轉(zhuǎn)子與定子機械組件產(chǎn)生氣泡和進行氣液接觸，所以充氣浮選槽的投資和生產(chǎn)費用可顯著低于機械槽。
一般說來，可將充氣浮選槽用作精選機在捕收受限制的情況下或在載帶能力受限制的情況下運行。在捕收受限制的情況下，顆粒的捕收速度受氣泡和藻之間碰撞次數(shù)的限制。在載帶能力受限制的情況下，氣泡的表面被藻材料所飽和。因此，顆粒的捕收速度受向柱中加入氣泡表面面積的速度的限制。由于希望送到回收過程的鹽水體積最小，所以產(chǎn)生的泡沫的表面接近被藻材料所飽和是有利的。
參看圖5，當需要時，可用機械方法或化學方法處理進料，使藻更容易浮選。利用在氣泡發(fā)生區(qū)內(nèi)的氣泡發(fā)生器，將氣體分散成細氣泡。泡沫發(fā)生器可以在泡沫浮選裝置內(nèi)，也可以在泡沫浮選裝置外。在其內(nèi)的氣泡發(fā)生器的實例是多孔的管式分布器。在其外部的氣泡發(fā)生器的實例是靜止混合器，氣體與發(fā)泡溶液在其中混合。
氣泡和藻懸浮液進料進入捕收區(qū)，氣泡與藻在其中發(fā)生碰撞形成氣泡和藻的附聚物。氣泡與藻的碰撞可通過氣相與液相逆流或順流流動或通過充氣混合來實現(xiàn)。附聚物通過分離區(qū)浮動到液體和泡沫的界面，并進入泡沫區(qū)，氣體在泡沫區(qū)的滯留量迅速增加。
可使泡沫與洗水接觸，以便從泡沫區(qū)內(nèi)的藻中分離夾帶的親水性顆粒和進料水。富集生物體的泡沫離開裝置。液相作為貧生物體的底流液通過裝置的底部排出。
在充氣浮選裝置中空氣或惰性浮選氣體很容易循環(huán)使用。利用有蓋的收集流槽可將氣體返回。為了產(chǎn)生小氣泡，既可向液相中也可向氣相中加入發(fā)泡劑。
有幾種充氣浮選裝置可以利用，可按照本發(fā)明使用它們?yōu)樵迕撍?，并從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素。其中有些裝置包括高徑比大于1的柱，它們具有上述充氣裝置的許多益處。下面敘述一些充氣浮選槽及其按照本發(fā)明的應用。
充氣浮選槽包括引氣式浮選槽和布氣式水力旋流器，或“ASH”。在引氣式浮選槽中，是使液體和氣體流過槽底部的噴嘴將氣體分散在液體中的。ASH是利用氣體穿過多孔壁產(chǎn)生泡沫，泡沫通過溢流排出。
a.詹姆森槽圖8示出一個單泄水管詹姆森槽156。在美國專利5,188,726；5,332,100；和4,938,865中敘述了詹姆森槽，在此全面引入其內(nèi)容作為參考。對于按照本發(fā)明從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，在詹姆森槽中產(chǎn)生的泡沫中，按不含氣體計算，藻材料為約60ppm至13％(重量)。
詹姆森槽由兩個主要部件組成。第一個部件是泄水管158，它是一個柱，一般直徑為約100-280mm，長為約3m。第二個部件是提升器160。提升器是一個槽，泄水管注入其中。提升器的直徑一般比泄水管大得多。采用另一種方案，多個泄水管可排入一個提升器。
詹姆森槽的泄水管限定了捕收區(qū)86(圖5)，其高徑比一般為約10-30。提升器包括分離區(qū)88(圖5)和泡沫區(qū)90(圖5)，其高徑比通常為約0.5-5。在泄水管中，相接觸的方法是多相順流向下流動。氣泡和藻的附聚物在提升器中靠重力與貧藻的鹽水分離。由于高速射流夾帶氣體并將氣體分散在液體中，在泄水管中產(chǎn)生氣泡。
藻懸浮液進料通過管線162進入泄水管的頂部，流過孔板164，形成高速液體射流。氣體通過管線168被吸入泄水管的頂部空間166，這是因為在泄水管頂部空間內(nèi)的壓力小于大氣壓。射流沖擊著泄水管中液體的表面，并將氣體帶進液相。由射流動量耗損產(chǎn)生的高速度梯度，將夾帶的氣體分散成細氣泡。以兩相流的形式輸送氣體和液體通過泄水管。兩相在豎直管中的流動近似于順流向下的柱塞流，引起氣泡與藻的碰撞并形成氣泡和藻的附聚物。然后多相分散體通過泄水管的底部流進提升器。
詹姆森槽運行時，使提升器的液面170略高于泄水管的下端172，以保持液密封。氣泡和藻的附聚物在提升器中與鹽水分離。附聚物浮動到提升器的表面，它們在表面上聚集成泡沫174，從該槽溢流到收集流槽176中。貧藻的鹽水從槽底排出，成為液流178。
提升器的深度與使產(chǎn)品回收率和泡沫濃度最佳化所需的相同。對于直徑小于約500μm非常細的氣泡，提升器可能需要更深，以避免在底流液178中夾帶附聚物。對于高回收率的運行，泡沫深度可能低至50mm，但典型的深度值為300-800mm?？蓪⑾此?80加入泡沫中，以提高富集物的純度。詹姆森槽可用空氣運行，也可密封用空氣運行，以使類胡蘿卜素的降解最少。
在一般情況下，詹姆森槽的運行條件，特別是提升器的表觀氣體流速Jg的變化，視所需運行的類型與粗選、掃選和精選而定。
詹姆森槽中的Jg被定義為提升器中的表觀氣體流速，它等于氣體的體積流量除以提升器平行于泡沫與液體界面的橫截面面積。選擇該槽的Jg，以便提供氣泡和藻的附聚物在提升器中的充分分離并確保泡沫的穩(wěn)定性。Jg的最大值是在泡沫的液泛點，在該點，氣體在分離區(qū)和在泡沫區(qū)的滯留量相等。這導致界面的消失。氣泡與藻的附聚物大量地夾帶到底流液178中，在該槽液泛前的較高的Jg值下，可能出現(xiàn)典型的回收率消失。如果氣體的流量太低，泡沫可能破滅，導致大量的附聚物重新夾帶進提升器160的分離區(qū)。
提升器的表觀氣體流速取決于系統(tǒng)的性質(zhì)和所選擇的運行類型。對于按粗選機運行為鹽生杜氏藻脫水，Jg值為約0.1-1.0cm/s。粗選機的Jg值為約0.3-0.5cm/s多少更有代表性。對于按精選機運行為鹽生杜氏藻脫水，Jg值為0.05-0.5cm/s。精選機的Jg值為約0.1-0.35cm/s多少更有代表性。
申請者確信，氣體表觀速度較低至少一部分是由于藻中存在表面活性劑所致。高濃度的表面活性劑可在較低的Jg值下誘發(fā)泡沫泛濫。浮選類胡蘿卜素要求這樣低的Jg值是意想不到的。更意想不到的是，藻中的天然發(fā)泡劑具有足夠的濃度和表面活性劑能力，甚至在飽和氯化鈉的鹽水中，也能使類胡蘿卜素的浮選容易進行。
在詹姆森槽中，泄水管的表觀速度是根據(jù)進料流量和泄水管的橫截面面積計算的。泄水管的停留時間是一個有密切關(guān)系的參數(shù)，它被定義為泄水管的容積除以進料的體積流量。這兩個參數(shù)值直接影響設備的處理能力和性能。停留時間長，也意味著表觀速度低，有利于提高藻的捕收效率，因此泡沫中類胡蘿卜素的回收率高。停留時間短和表觀速度高能提高柱的處理能力。
對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，泄水管的表觀速度為約0.1-0.4m/s。泄水管的停留時間為約9-30s。對于詹姆森槽按粗選機和掃選機運行從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素時，泄水管的表觀速度和停留時間值一般分別為約0.15-0.3m/s和10-20s。對于詹姆森槽按精選機運行時，泄水管的表觀速度和停留時間值分別為約0.1-0.2m/s和15-25s。
將氣體與進料的比例定義為氣體的體積流量與液體體積流量的比例。降低詹姆森槽中氣體與進料的比例會對柱起穩(wěn)定作用，這是因為生成大小分布更均勻的較細氣泡。當增加氣體與進料的比例時，氣泡越大，比表面面積越小，氣泡大小的分布也越寬。最終形成大氣泡，相對向下的流動而上升。
對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，在用詹姆森槽作粗選機、掃選機、和精選機運行時，氣體與進料的比例為約0.3-0.9。對于這兩種應用，氣體與進料的比例為約0.4-0.7一般多少更有代表性。
泄水管入口的進料壓力決定了射流的速度。在應用機械預處理破壞藻，使它們更容易浮選的場合，對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，進料壓力為約20-60psig。作為粗選機和掃選機運行，該值為50-60psig，作為精選機運行，為約20-25psig多少更有代表性。
對于作為粗選機、掃選機和精選機運行從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素時，射流速度為約8-25m/s。作為粗選機和掃選機運行，該值為約10-20m/s，作為精選機運行為約8-15m/s多少更有代表性。
詹姆森槽的兩個設計比例是泄水管直徑與銳孔直徑的比例和提升器直徑與泄水管直徑的比例。對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，泄水管與銳孔直徑的比例為約7-13。該值為約8-10多少更有代表性。對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，提升器與泄水管直徑的比例為約2-10，該值大于約5更有代表性。
為了取消單獨的破壞步驟，詹姆森槽也可在較高的進料壓力下運行。使詹姆森槽在高進料壓力下運行，用銳孔破壞藻，避免了采用任何機械的或化學的預處理步驟，又使藻更容易浮選。可將高壓范圍定義為進料壓力大于60psig。為了破壞細胞，詹姆森槽一般在約150-300psig的進料壓力下運行。
通過在噴嘴上安裝比一般使用的小的孔板，可使詹姆森槽在高于60psig的進料壓力下運行。然而，高射流速度通常產(chǎn)生的氣泡太細，在提升器中不能分離，造成在底流液178(圖8)中夾帶氣泡和藻的附聚物。當在這些高進料壓力下運行時，必須安裝擴散噴嘴或擋板，以偏移射流向下的動量。
射流通過泄水管頂部銳孔的速度可由伯努力方程計算。射流由三個區(qū)域組成自由射流區(qū)、柱塞射流區(qū)和混合區(qū)。在進料通過孔板進入泄水管時，進料處在自由射流狀態(tài)。自由射流在頂部空間產(chǎn)生低壓區(qū)，并將氣體輸送到射流表面。射流沖擊液體表面的區(qū)域被稱作柱塞射流，是將氣體夾帶進液體中的區(qū)域。在液面以下的混合區(qū)中，射流的動量消散。得到的高速度梯度將夾帶的氣體破碎成小氣泡。
b.多級環(huán)流浮選(MSTLFLO)柱圖9示出多級環(huán)流泡沫浮選柱182。MSTLFLO是一種改進的氣泡柱，其組成如下分布器184，用于將氣體加入柱底；安裝在柱內(nèi)的一系列豎直擋板，導管186、188和190；分別在導管186、188和190頂部的擋板192、194和196，以產(chǎn)生適宜的流體動力學；布料器198；和與柱同心安裝的收集流槽200。在1995年分離技術(shù)第5卷133-138頁上題為“用于廢水處理的多環(huán)路浮選柱”的論文中，D.X.何，F(xiàn).X.J，H.胡和S.H.強敘述了MSTLFLO柱。在此全面引入何等人的論文作為參考。
MSTLFLO柱的主要設計特點是多級導管的配置。來自管線185的氣體噴射到柱底導管186的內(nèi)部，導致氣體在導管內(nèi)的滯留量高于導管和柱壁之間的環(huán)形區(qū)202。由于氣體滯留量的差別產(chǎn)生循環(huán)流型。氣液分散體在導管內(nèi)的區(qū)域204內(nèi)向上流動，導管起一個提升器的作用，而在環(huán)形區(qū)202內(nèi)向下流動，該環(huán)形區(qū)起一個泄水管的作用。在泄水管中的流動近似于多相順流向下的柱塞流。氣泡的大小比較均勻，是由于環(huán)流的流體力學造成的，這減少了軸向混合。不包括導管的常規(guī)氣泡浮選柱也稱作加拿大柱，與該柱相比，MSTLFLO柱的浮選動力學改善了。圖10示出一個氣泡柱。將MSTLFLO柱除去導管，就可轉(zhuǎn)變成氣泡柱。
捕收區(qū)和分離區(qū)分別為86和88(圖5)，它們是在MSTLFLO柱的同一個容器中。該容器的高徑比大于5。雖然不希望受到理論的約束，但可以認為，MSTLFLO柱中的捕收區(qū)是泄水管和每個導管的提升器，在導管中是多相順流柱塞流。該柱的分離區(qū)是在布料器198以上和氣液界面以下。附聚物聚集在泡沫和液體界面以上的泡沫區(qū)，并從柱中溢流進收集流槽200中。泡沫破滅后形成富集藻的懸浮液，通過管線206排出。貧藻的底流通過管線208從柱底排出。
在MSTLFLO柱中氣體表觀速度Jg定義為氣體的體積流量除以柱的橫截面面積。隨著Jg的增大，在多相分散體中氣體的滯留量增加，使藻的捕收率增高。然而，泡沫中的氣體滯留量卻隨Jg的增大而下降，這是由于上升的氣泡將較多的水夾帶進泡沫的緣故。當Jg接近最大值時，泡沫與氣液分散體中的氣體滯留量相等，造成該柱液泛，界面消失。
對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，Jg值為約0.1-1.0cm/s。該值為約0.2-0.5cm/s多少更有代表性。對類胡蘿卜素的浮選要求這樣低的Jg值是意想不到的。甚至更意想不到的是，在藻中的天然發(fā)泡劑具有足夠的濃度和表面活性劑能力，甚至在用氯化鈉飽和的鹽水中和在其它離子的存在下，也能使類胡蘿卜素的浮選容易進行。
液體的停留時間定義為MSTLFLO柱的容積除以液體進料的體積流量。停留時間長，能使泡沫中類胡蘿卜素的回收率提高。停留時間短會增加該柱的處理能力。在捕收受到限制的情況下，對從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，液體的停留時間為約2-20min。在載帶能力受到限制的情況下，停留時間大于20min。
在MSTLFLO柱中，采用低的氣體與進料的比例的優(yōu)點，包括減小設備的體積和氣體的壓縮費用。對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，氣體與進料的比例為約0.10-1.5。該值為約0.2-0.8多少更有代表性。這樣低的氣體與進料的比例是意想不到的，這對浮選類胡蘿卜素是有利的。
使MSTLFLO柱在二氧化碳、氮、氦或不易起化學作用的氣體的惰性氣氛中運行，對將類胡蘿卜素的氧化減少到最少是有利的。與使用空氣相比，使用二氧化碳可以改善浮選的動力學。
采用多級導管減少了柱中的軸向混合并使短路減少到最少，因而改善了柱的性能。對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，級數(shù)為約1-5，通常必須大于1。
對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，所用導管直徑與柱徑的比值為約0.5-0.9。在從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素時，該值為約0.5-0.7多少更有代表性。
泡沫比較穩(wěn)定是由從鹽生杜氏藻中浮選類胡蘿卜素引起的。要求流槽具有較大的橫截面面積，以便容納泡沫。對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，采用流槽直徑與柱徑的比例為2。這個比例通常必須大于1.25。
c.加拿大柱圖10示出加拿大柱，該柱也稱作常規(guī)柱或氣泡柱。氣泡柱210的直徑一般為約0.5-3.0m，高為約9-15m。橫截面可為方形或圓形。
藻懸浮液進料通過管線212在泡沫與液體界面214以下1-2m處加入柱中向下流動。氣體通過管線216進入柱的底部，一般借助于分布器218分散成細氣泡。可以采用包括二氧化碳、氮、氦或不易起化學作用的氣體在內(nèi)的惰性氣體，使類胡蘿卜素的降解減少到最少。在使用用218表示的內(nèi)部分布器時，可將氣體，一般是空氣直接噴入柱的底部，或在使用外分布器時，在噴入之前使其先與水、藻的懸浮液、發(fā)泡溶液或其混合物接觸。內(nèi)分布器一般是由用織物例如濾布包覆的多孔管或由多孔橡膠制造的。
氣泡與藻懸浮液在捕收區(qū)86(圖5)內(nèi)逆流流動，引起氣泡和藻發(fā)生碰撞，捕收區(qū)被定義為在布料器222(圖10)以下的區(qū)域。該柱的分離區(qū)位于布料器222以上和泡沫與液體的界面214以下。附聚物聚集在泡沫與液體界面以上的泡沫區(qū)內(nèi)，并從柱中溢流到收集流槽226中。泡沫破滅后形成富集的藻懸浮液，該懸浮液通過管線228排出。貧藻的鹽水作為底流液220從柱底排出。
該柱可在任何所希望的泡沫深度下運行，然而在實踐中一般采用的泡沫深度為約50-100cm?？蓪⒁?24表示的洗水加入泡沫中，以便從藻生物體中分離夾帶的親水性顆粒。為了使洗滌效率最高，該柱通常是在正偏流下運行，正偏流系指水通過泡沫向下的凈流動。偏流水通過底流離開該柱。為了維持泡沫與液體的界面位置，底流液的流量必須大于進料的流量。
d.布氣式水力旋流器(ASH)對于按照本發(fā)明從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，對于ASH單元，泡沫中的藻濃度按不含氣體計算，約為0.001％-0.3％(重量)。ASH由一個與圓筒形水力旋流器相切的進料口組成，該旋流器具有多孔壁，壓縮氣體通過多孔壁進入旋流器。一個傾斜的泡沫底座(frothpedestal)位于旋流器的底部，所以很容易改變底流的橫截面面積?？梢允褂酶鞣N直徑的渦輪探測器(Vortex finder)控制泡沫的排出流量。
料液在旋流器的頂部按切線方向進入ASH單元，然后循著螺旋形路徑通過環(huán)形的底流開孔，在底部排出。氣泡是由空氣通過多孔壁產(chǎn)生的。藻與氣泡在外層渦流中發(fā)生碰撞，外層渦流定義為捕收區(qū)86(圖5)。隨著液體移向旋流器底部，氣相和液相按正交流型發(fā)生接觸。在分離區(qū)88(圖5)中，利用離心力使氣泡和藻的附聚物與貧藻的鹽水分離，可將分離區(qū)看成是內(nèi)部渦流和外層渦流之間不確定的邊界。將泡沫和藻的附聚物輸送到泡沫區(qū)90(圖5)，在泡沫區(qū)形成內(nèi)部渦流，該渦流向上移動，在旋流器的頂部排出。
對于ASH單元，Jg被定義為通過膜的氣體體積流量除以膜的橫截面面積。對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，Jg值為約0.7-6cm/s。該值大于約3cm/s多少更有代表性。
對于ASH單元，液體的停留時間被定義為ASH單元的容積除以液體的體積流量。對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，停留時間為約1-10s。
對于從鹽生杜氏藻中回收類胡蘿卜素，氣體與進料的比例為約0.4-6。該值大于3多少更有代表性。
e.EKOFLOT充氣浮選槽將藻進料懸浮液80(圖5)通過文杜里裝置泵送到柱的頂部，文杜里裝置起泡沫發(fā)生區(qū)84(圖5)的作用。氣體被夾帶進藻懸浮液中，形成的混合物通過進料管向下流動，氣泡與藻的大部分碰撞是在進料管中發(fā)生的。該進料管被用作捕收區(qū)86(圖5)。含有氣泡和藻附聚物的液氣分散體通過布料器流進分離區(qū)88(圖5)，分離區(qū)是在一個單獨的容器中。附聚物浮到表面，積累在泡沫區(qū)90(圖5)內(nèi)。貧藻的鹽水作為液流92(圖5)從容器底部排出。
可將泡沫聚集器(Crowder)一個倒圓錐提高或降低來改變泡沫區(qū)的大小，以使分離最佳化?？梢允古菽c洗水接觸，以提高產(chǎn)品的純度。清洗過的泡沫從容器中溢流到收集流槽中，作為富集物從流槽中排出。分離區(qū)的停留時間為約2-3min，與詹姆森槽不相上下。然而詹姆森槽泄水管中的停留時間通常為約5-10s。在EKOFLOT容器充氣裝置中的停留時間是毫秒級的。EKOFLOT槽的充氣裝置是氣泡與藻發(fā)生碰撞的地方，被定義為捕收區(qū)。
f.MicrocelTM微氣泡浮選柱在美國專利4,981,582和5,167,798中敘述了MicrocelTM柱，在此全面引入其內(nèi)容作為參考。MicrocelTM柱是由位于賓夕法尼亞州匹茲堡的ICF Kaiser工程師有限責任公司制造的。該柱由在柱底部的充氣區(qū)；在充氣區(qū)之上的單向孔板，微氣泡能通過它上升進入液體，但它可防止固體沉降到充氣區(qū)；捕收區(qū)和泡沫區(qū)組成。進料藻懸浮液80(圖5)進入泡沫與液體分界面以下的柱中并向下流動。氣體82(圖5)借助于微氣泡發(fā)生器分散在柱外的液體中，微氣泡發(fā)生器起氣泡發(fā)生區(qū)84(圖5)的作用。適宜的液體包括藻懸浮液進料80、底流液92、發(fā)泡劑溶液、或它們的混合物。由這個外部分布器產(chǎn)生的微氣泡的大小為50-400μm。然后將微氣泡加入充氣區(qū)。
用于產(chǎn)生微氣泡的液體通過一個出口從氣泡少的充氣區(qū)排出，通常又返回到微氣泡發(fā)生器中。微氣泡通過單向孔板離開充氣區(qū)，進入捕收區(qū)86(圖5)，該區(qū)是在布料器以下和充氣區(qū)以上的區(qū)域。由于氣泡的尺寸小，所以在捕收區(qū)中的流動基本上是平穩(wěn)的，這使藻懸浮液與微氣泡發(fā)生有效的逆流接觸。貧藻的鹽水通過在單向孔板上的一個出口作為底流離開。氣泡和藻的附聚物通過捕收區(qū)上升，積累在泡沫區(qū)中?？蓪⑾此尤肱菽?，以便從藻生物體中分離夾帶的親水性顆粒。富集類胡蘿卜素的泡沫從柱中溢流到收集流槽中，作為富集物從其中排出。
微氣泡發(fā)生器是由一系列小葉片組成的，小葉片的放置使流體的方向頻繁地發(fā)生改變。其設計類似于靜止混合器。以很高的速度泵送液體通過混合器，同時計量所需體積的氣體，在進入混合器之前加入液體管線。液體的剪切將氣體分散成微氣泡。采用這種方法，按體積計算，可產(chǎn)生含有大于50％氣體的微氣泡懸浮液。
g.其它浮選裝置除了上面討論的指定的機械浮選裝置和充氣浮選裝置以外，本發(fā)明的原理還適用于許多沒有提到的浮選裝置。這些其它浮選裝置與上面詳細討論的浮選裝置的主要差別，僅在于它們具有不同的幾何學，或采用不同的氣泡與藻的接觸裝置、相分離裝置或氣泡發(fā)生裝置。
不管選擇氣泡吸附分離技術(shù)、深床過濾和微濾如何組合，都必須將藻懸浮液富集到最具吸引力的方法的供料濃度，這考慮到許多因素，其中包括所涉及的經(jīng)濟問題。從富集程度較低的藻懸浮液中提取成分是不可行的，這是由于使懸浮液與溶劑接觸需要大尺寸的容器，或由于需要大量的溶劑。可以把深床過濾、氣泡吸附分離和微濾組合、單獨或與藻懸浮液脫水的其它技術(shù)結(jié)合起來使用，以達到所要求的濃度和提取的經(jīng)濟指標。
E.優(yōu)良的泡沫浮選回路采用氣泡吸附分離方法，特別是泡沫浮選方法，回收類胡蘿卜素的一個目的，是生產(chǎn)可能的類胡蘿卜素濃度最高的泡沫。在浮選回路的任何地方都可采用任一泡沫浮選裝置。然而上面所討論的浮選方法，在它們以泡沫形式富集類胡蘿卜素的能力方面不必相同。下面參照圖11敘述一個優(yōu)良的泡沫浮選回路，用于為包括鹽生杜氏藻在內(nèi)的藻類脫水。采用詹姆森槽作為粗選機230，和第一級精選機232。采用MSTLFLO柱用作第二級精選機234，該槽與詹姆森槽精選機232串聯(lián)?？蓪⒄材飞酆蚆STLFLO柱安裝在前述的木筏、拖車或其它可移動的裝置上，以便于獲得藻的進料液。
如圖11所示，鹽生杜氏藻鹽水進料液236是從其來源得到的。其來源可以包括猶他州大鹽湖在內(nèi)的天然來源，或粗放型或強化型池塘。可采用前述的離心泵獲得進料液，離心泵可以是可移動的浮動泵。通過泵238將進料泵送到詹姆森槽粗選機230的進料入口段240。
在進料進入詹姆森槽粗選機前，在泵環(huán)路中破壞藻或采用前述的其它機械裝置破壞藻。
泡沫收集在收集槽248中，然后使泡沫破滅，進行常規(guī)泵送，或者通過泡沫泵250泵送到貯槽252，作為詹姆森槽精選機232富集類胡蘿卜素的進料253貯存。底流254可作為廢水處理掉，或者返回來源，否則用上面在V.C部分對浮選回路比較粗略的討論中所述的方法進行處理。
將詹姆森槽精選機富集類胡蘿卜素的進料253泵入進料入口256，在詹姆森槽中進行分離。它生產(chǎn)的泡沫一般比粗選機230生產(chǎn)的含水較少。將富集類胡蘿卜素的液流258貯存在MSTLFLO柱精選機234的進料槽260中。底流262的處理與粗選機底流相似。
如前所述，將富集類胡蘿卜素的進料液264從貯槽260泵送到MSTLFLO柱精選機234的進料入口266，在其中進行分離。生產(chǎn)含水更少的泡沫，類胡蘿卜素進一步富集，將其收集并貯存在貯槽268中等待進一步處理。進一步處理可包括上面討論的微濾，為藻進一步脫水，或包括用下面討論的任一種方法進行萃取。
圖11示出上述的微濾器270和后接的高密度氣體萃取設備272。微濾使類胡蘿卜素的濃度比泡沫浮選流程提高1個數(shù)量級，剩余液274的濃度達到約20,000ppm，適合高密度氣體萃取。滲透液276是廢鹽水溶液，可以廢棄，或返回到從其中得到進料液的湖泊或池塘，如果其中有化學添加劑存在，則視化學添加劑的情況而定。
剩余液274作為進料液泵入高密度氣體萃取設備272。高密度氣體，在這種情況下是二氧化碳，以確信是本領域的技術(shù)人員所熟知的方法加入，與進料液呈逆流流動，下面就高密度氣體萃取進一步討論這種方法。高密度氣體萃取設備的底流278是萃余液，是貧類胡蘿卜素的廢液，可將其廢棄，或按下面在VI中對提取類胡蘿卜素后從細胞質(zhì)中提取產(chǎn)品所討論的方法進一步處理。
高密度氣體萃取設備的萃取物280從該柱溢流并膨脹，進入分離器282中，使混合類胡蘿卜素產(chǎn)品與高密度氣體分離?；旌项惡}卜素作為底流284從分離器中排出，高密度氣體286從分離器頂部排出，通過壓縮機返回到高密度氣體萃取設備的底部?；旌项惡}卜素產(chǎn)品可按下面討論的方法進一步處理，以便回收指定的類胡蘿卜素。
VI.從富集的藻懸浮液中回收所選擇的成分回到圖1、步驟30和32，可以采用使用各種溶劑的幾種萃取方法中的任一種，從富集的藻懸浮液中回收類胡蘿卜素。萃取方法可選自液/液萃取；固/液萃取，也被稱作浸出；液/液/固萃取，這是三相萃取，其中在固體材料存在下形成兩個不溶混的液相；和上述的高密度氣體萃取。
對于從鹽生杜氏藻鹽水懸浮液中萃取類胡蘿卜素，濃度高于約100ppm與水不相溶混的任一有機溶劑都將是有效的。有機溶劑必須是至少不使類胡蘿卜素的物理和化學特性發(fā)生不利變化的溶劑。溶劑可以選自合成的和天然的香味劑、食用油、石油化學溶劑、高密度氣體以及它們的混合物，只要一個系統(tǒng)具有兩個以上不相溶混的相。然而，由于下面討論的各種原因，有些溶劑比另一些溶劑較為理想，而且所得的結(jié)果也不必相同。
石油化學溶劑一般粘度低，對溶質(zhì)分子的擴散有利。類胡蘿卜素一般非常易溶于石油化學溶劑，能被富集在萃取物中。石油化學溶劑包括脂肪烴，例如己烷、戊烷、辛烷、石油醚、環(huán)己烷、二氯甲烷、甲醇、乙醇和其它低沸點的醇類；芳烴，其中包括苯和甲苯；以及未列出的許多其它石油化學溶劑。如果需要，可以使用石油化學溶劑的混合物。
然而，應當理解，對于制備營養(yǎng)補品，一般并不認為石油化學溶劑是萃取類胡蘿卜素的理想溶劑。溶劑殘留物通常至少在某種程度上可用色譜分離法除去。盡管如此，對于許多人而言，采用從石油得到的化合物加工營養(yǎng)補品和在營養(yǎng)補品中存在任何石油殘留物都是不能接受的。
從營養(yǎng)的觀點看，食用油優(yōu)于石油化學溶劑。食用油可從植物或動物來源得到，其中包括魚油。食用的植物油溶劑包括玉米油、橄欖油、豆油、紅花油、葵花子油和許多其它油類。如果需要，也可以采用食用油混合物。
然而，與石油化學溶劑相比，食用油一般是比較粘的，溶質(zhì)分子的擴散性能較差。類胡蘿卜素在食用油中的溶解度通常是有限的，不采用包括應用過熱在內(nèi)的能改變類胡蘿卜素化學和物理特性的步驟，要得到濃的萃取物是很難的。
合成的和天然的香味劑一般比石油化學溶劑和食用油較為理想。在營養(yǎng)補品方面，從天然得到的香味劑是有吸引力的。香料和提取物制造者協(xié)會或FEMA將香味劑歸于一般認為是安全的或GRAS一類，它沒有石油化學溶劑涉及營養(yǎng)補品的缺點。與石油化學溶劑相比，在營養(yǎng)補品中存在的殘留香味劑溶劑，一般是可以接受的，這減少了后續(xù)純化和回收的費用?？梢赃x擇其沸點、粘度和分子擴散性能與石油化學溶劑差不多的香味劑。
適合本發(fā)明的香味劑的實例包括甲基-、乙基-、丙基-、丁基-、異丁基-、芐基-、和辛基-的酯類，酯的羧酸成分包括乙酸根、乙酸根(ethanoate)、丙酸根、丁酸根、己酸根、己酸根(caproate)、庚酸根、辛酸根、癸酸根、肉桂酸根和異戊酸根。香味劑的其它實例包括但不限于苯甲醛、其它醛類、萜二烯-[1，8]和其它萜烯。也可以采用香味劑的混合物。
圖12示出典型萃取步驟的工藝流程圖。在開始的溶劑萃取步驟300中，使富集的藻懸浮液與溶劑接觸。類胡蘿卜素從鹽水中轉(zhuǎn)移到第二液相，該液相是萃取物或溶劑相。如步驟302所表示的，一般從萃取過程中得到二個相和一個碎渣層，藻殘留物碎渣層是在含有類胡蘿卜素和溶劑的粗萃取相和萃余相之間形成的，萃余相主要是鹽水，通常含有痕量的類胡蘿卜素。藻殘留物一般富集有葉綠素、甘油、磷脂和蛋白質(zhì)，既可以廢棄，也可以按照步驟310進行進一步加工，以回收這些成分。
萃取既可間斷地進行，也可連續(xù)地進行。已經(jīng)證明，間斷萃取過程是有效的。充分攪拌有機相和水相，使基本上是所有的類胡蘿卜素都被萃取到有機相中。然后停止攪拌。使分散體澄清，形成三個不同的區(qū)域，萃余液、萃取物和碎渣層。通過仔細地傾析，將各層分離，按下述方法進一步處理。
可以使用各種類型的萃取設備，對于連續(xù)萃取，其中包括單級和多級混合澄清器；離心萃取器，其中包括位于馬薩諸塞州皮茨菲爾德的Robatel制造的離心萃取器和密執(zhí)安州薩吉諾的Baker Perkins制造的Podbelniak；和萃取柱，其中包括位于紐約州帕拉西帕尼的Glitsch技術(shù)公司制造的Karr柱、York-Scheibel柱和轉(zhuǎn)盤柱，瑞士阿爾施維爾的Kuhni制造的Kuhni柱，以及填料柱和篩板柱。
在連續(xù)萃取過程中重力澄清是有效的。雖然可在離心場或重力場中進行相分離，但重力澄清的費用通常較低?？杉尤刖劢Y(jié)劑以幫助傾析。萃余液可被進一步聚結(jié)，以便回收可能夾帶的任何外加溶劑，然后是將其循環(huán)到生物反應器還是返回到池塘，取決于所采用的養(yǎng)殖類型。也可以采用聚結(jié)器、液/液/固離心機、浮選槽和液/液旋流器從鹽水中回收溶劑，或者可將鹽水返回到浮選裝置進行凈化。
可用萃取方法從包括前述的任一步驟在內(nèi)的任何初步富集步驟之后的鹽水或從未處理的鹽水中萃取類胡蘿卜素，這里的萃取是收獲方法。在后一種情況下，可以采用來自傾析器的循環(huán)溶劑提高混合器中溶劑與進料的比例。
如果需要，可對水相進行預處理，以便將萃取到有機相中的葉綠素量減少到最少?？稍谳腿≈坝脡A，例如NaOH處理含生物體的水相，使葉綠素皂化，防止其與類胡蘿卜素一起被萃取到有機相中。采用另一種方案，可酸化含有生物體的水相，以防葉綠素被萃取到有機相中。
可在一個或多個脫水步驟之前將溶劑分散在藻懸浮液中。在這種情況下，稱溶劑是被預分散的，稱進料是為萃取預調(diào)節(jié)的。例如，可在開始氣泡吸附分離之前將溶劑分散在藻懸浮液中。
A.純化和分離成分如上所述，將類胡蘿卜素粗萃取物與碎渣層和萃余液分離?？煞謩e處理富集類胡蘿卜素粗萃取物，富集甘油和蛋白質(zhì)的碎渣層，以便回收有價值成分的純制劑?？杀换厥盏幕衔锇ㄈ词溅?胡蘿卜素、9-順式β-胡蘿卜素、α-胡蘿卜素、玉米黃質(zhì)、隱黃質(zhì)、葉黃素、甘油、蛋白質(zhì)等。申請者確信，純化粗萃取物的各種技術(shù)是技術(shù)人員所熟知的。
可以按照步驟312，采用包括通過閃蒸、蒸餾、刮板式薄膜蒸發(fā)、短路蒸餾和分子蒸餾蒸發(fā)溶劑的幾種技術(shù)中的一種或多種，進一步富集粗萃取物。溶劑的適當選擇會使這一富集步驟在低溫下運行，在該溫度下，類胡蘿卜素不會發(fā)生降解或再異構(gòu)化。處理粗萃取物的優(yōu)選方法取決于所需的產(chǎn)品。
類胡蘿卜素直接由富集步驟312以固相的形式收集，或者按照步驟314通過溶劑變換重新分散在食用油中。當需要時，混合類胡蘿卜素產(chǎn)品按照步驟316純化?？稍谳腿≈盎蛟谳腿≈蠛驼舭l(fā)前，將食用油和香味劑混合，以蒸發(fā)所需量的香味劑，類胡蘿卜素留在食用油中。食用油可以是動物油或植物油的混合物，植物油包括橄欖油、Canola油、花生油、豆油、紅花油、棕櫚油和玉米油及其混合物。采用這種方法生產(chǎn)類胡蘿卜素更富集的懸浮液，基本上不需使用費用較高的食用油分子蒸餾。
B.β-胡蘿卜素和其它類胡蘿卜素混合類胡蘿卜素的食用油懸浮液可在人類營養(yǎng)補品、食品色素、和強化食品市場上銷售。采用另一種方案，可由包括下敘步驟的隨后分離步驟生產(chǎn)具有不同濃度比例的各種類胡蘿卜素產(chǎn)品。粗萃取物可由色譜分離法純化，使所得的各部分溶液結(jié)晶，以回收類胡蘿卜素和溶劑。增加的單元操作可包括結(jié)晶、超臨界流體色譜分離、反相色譜分離和高效率液體色譜分離或HPLC。
由這些單元操作可以生產(chǎn)許多種產(chǎn)品。超臨界流體色譜可以分離全反式α-胡蘿卜素、α-胡蘿卜素的順式異構(gòu)體、全反式β-胡蘿卜素、和β-胡蘿卜素的順式異構(gòu)體。可采用反相色譜分離葉黃素、玉米黃質(zhì)、β-隱黃質(zhì)、海膽烯酮、番茄紅素、α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素?？梢圆捎肏PLC分離β-胡蘿卜素、海膽烯酮、裸藻酮、巖藻黃質(zhì)、和虹紅素、13-15二-順式-β-胡蘿卜素、15-順式-β-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素、9-順式-β-胡蘿卜素和13-順式-β-胡蘿卜素?？捎肏PLC與超臨界流體色譜法結(jié)合分離13-13′-二-順式-β-胡蘿卜素、9，13，13′三-順式-β-胡蘿卜素、9，13′-二-順式-β-胡蘿卜素、15-順式-β-胡蘿卜素、9，13-二-順式-β-胡蘿卜素、13-順式-β-胡蘿卜素、9，9′-二-順式-β-胡蘿卜素、全反式-β-胡蘿卜素和9-順式-β-胡蘿卜素。
通過在活性氧化鋁柱中分離異構(gòu)體，可以制備由至少40％(重量)9，順式異構(gòu)體和低于50％全反式異構(gòu)體組成的高純度β-胡蘿卜素萃取物。通過全反式異構(gòu)體從非極性溶劑中結(jié)晶，可以制備由至少75％(重量)9-順式異構(gòu)體組成的富9-順式的萃取物。通過從粗萃取物中回收溶劑并使類胡蘿卜素重新懸浮在最少量的非極性溶劑中制備高純度的β-胡蘿卜素萃取物。溶劑可選自乙烷、己烷、庚烷、辛烷和石油醚。然后使非極性萃取物流過活性氧化鋁柱，分段收集流出液。最先的洗脫液含有桔/紅色類胡蘿卜素主帶。收集洗脫液并在真空下蒸發(fā)溶劑。得到高純度的天然β-胡蘿卜素產(chǎn)品，一般由50％全反式、40％9-順式和3％其它β-胡蘿卜素異構(gòu)體、5％α-胡蘿卜素和2％其它類胡蘿卜素組成。在β-胡蘿卜素洗脫液之后，洗脫淺黃色的類胡蘿卜素，其中包含一些β-胡蘿卜素。
定期洗滌柱子，以便除去不被洗脫的任何極性的類胡蘿卜素、類脂物和葉綠素。生產(chǎn)高純度的天然9-順式-β-胡蘿卜素的方法，包括將高純度的天然β-胡蘿卜素溶解在加熱到40°-50℃的最少量非極性溶劑中，使溶劑急冷至-20℃，使全反式異構(gòu)體優(yōu)先結(jié)晶，分離固相和液相。可以重復結(jié)晶步驟，以提高晶體和上清液的純度。從上清液中蒸發(fā)溶劑，生產(chǎn)富集9-順式異構(gòu)體的制劑，其濃度達到至少約75％(重量)。
C.產(chǎn)品和應用為了產(chǎn)品能以任意量銷售，可按配方配制由本發(fā)明的方法得到的β-胡蘿卜素和其它類胡蘿卜素?？蓪婌F干燥的鹽生杜氏藻粉末加入動物的飼料中?？梢岳貌煌瑵舛鹊念惡}卜素在油中的懸浮液、微膠囊包裹的類胡蘿卜素、和可水分散的天然混合類胡蘿卜素粉末作為產(chǎn)品。也可以將β-胡蘿卜素純化成富集9-順式異構(gòu)體或富集全反式異構(gòu)體的形式銷售。也可以純化由本發(fā)明的方法制得的其它類胡蘿卜素并作為產(chǎn)品銷售。
D.甘油、蛋白質(zhì)和其它成分可將藻的殘留物清除掉或按照步驟310進一步加工，從藻中回收其它有價值的成分，例如甘油、葉綠素和蛋白質(zhì)。
可使碎渣層與乙醇接觸來回收甘油。然后可將乙醇蒸發(fā)，用蒸餾法純化得到的甘油殘留物。為了作為有用的產(chǎn)品銷售，可對甘油進行萃取、脫色和蒸餾。在提取甘油之后，剩下的細胞質(zhì)富有蛋白質(zhì)，可以干燥，生產(chǎn)富蛋白質(zhì)的細藻粒，用作動物的飼料。在干燥之前，可用水洗滌細胞質(zhì)，除去殘留的鹽。
VII.實施例為了說明本發(fā)明的幾個方面，列舉出以下的實施例，但不應當認為本發(fā)明受這些實施例的限制。這些實施例一般是按題目編排的，使用的題目視實施例所針對的本發(fā)明的具體方面而定。然而，應當理解，可用一個有具體題目的實施例說明本發(fā)明的向個方面。不應當認為這些題目不包括在不同題目下的實施例。
A.在泵環(huán)路中破壞細胞參照圖2，壓降的幅度和通過壓降的次數(shù)對鹽生杜氏藻的破壞詳述如下。利用泵38將含鹽生杜氏藻的鹽水從大鹽湖的池塘34輸送到詹姆森槽36，泵38是Grundfos Series C多級離心泵CR30-80U。為了破壞藻，使鹽水在泵環(huán)路中循環(huán)。旁路流46限定了循環(huán)流的體積。排放液管線48用于將鹽水返回池塘。通過閥門50和52分別控制旁路流量和排放流量。根據(jù)需要改變流量，以便為泵的環(huán)路提供所要求的循環(huán)百分數(shù)。采用節(jié)流閥門42將壓降調(diào)節(jié)到所要求的數(shù)值。
在每次卸壓時，關(guān)閉閥門50并測定通過管線48的排放流量Q4和在管線44上的詹姆森槽的進料流量Q5，來確定泵通過管線40的總排出流量Q1。通過測定注滿55加侖桶所需的時間，確定排放流量。詹姆森槽的進料流量采用下列方程計算ν=2Δpρ]]>Q5=C0πd024ν]]>式中υ是銳孔速度，Δp近似等于壓力表54測定的進料壓力，ρ為液體的密度，C0是銳孔系數(shù)，為0.61，d0是銳孔直徑，為0.3125英寸。
可根據(jù)下列物料平衡來計算在指定排出壓力下泵的總排出流量。該方程只在閥門50關(guān)閉，旁路流量等于零的情況下才適用。
Q1＝Q4+Q5當打開閥門50時，在泵的環(huán)路中有鹽水循環(huán)，旁路流量可由下式計算Q2＝Q1(Q4+Q5)式中Q4和Q5是采用前述的方法確定的，Q2是通過管線46的流量。
在泵環(huán)路中，循環(huán)百分數(shù)R由下式得出R=Q2Q5·100%]]>調(diào)節(jié)閥42兩側(cè)之間的壓降(Δpt)能促進細胞的破壞，該壓降的計算如下Δpt＝p1p2式中p1和p2分別為壓力表56和58測定的壓力。
在該過程中被破壞藻的百分數(shù)是由細胞數(shù)數(shù)據(jù)確定的。測定通過管線60吸入泵中的進料Q0和詹姆森槽底流50 Q7中每毫升的活細胞數(shù)。用下式計算被破壞的藻的百分數(shù)FF=(1-CCtCCf)·100%]]>式中CCt和CCf分別為進料和詹姆森槽底流試樣中的細胞數(shù)。細胞數(shù)被定義為每毫升鹽水中完整細胞的數(shù)量。
B.深床過濾在Waring混合器中將鹽水懸浮液混合30s，破壞鹽生杜氏藻的細胞。通過一個充填過濾介質(zhì)的柱，過濾1升含有被破壞的鹽生杜氏藻懸浮物的鹽水。該柱的內(nèi)徑為30mm，長度為80mm。下面在表1中示出各種過濾介質(zhì)。表1.所用過濾介質(zhì)的類型
在過濾后，用蒸餾水洗滌介質(zhì)回收細胞質(zhì)。用溶劑萃取水，并分析在所得溶液中的類胡蘿卜素。然后用溶劑洗滌過濾介質(zhì)并分析所得溶液中的類胡蘿卜素。取過濾器進料和濾液的樣品，分析類胡蘿卜素，以確定保留在過濾介質(zhì)中的類胡蘿卜素的百分數(shù)。表2示出7個實施例所得的結(jié)果。
表2.深床過濾的結(jié)果
用下面的實施例說明用深床過濾脫水藻中破碎細胞的效果。除了在過濾前沒有破壞細胞以外，采用的方法與實施例1-7中所述的相同。采用粒度為0.25-0.35mm石英砂的深床作為過濾介質(zhì)。在過濾之前先調(diào)節(jié)鹽水，將海藻懸浮液與非離子型表面活性劑TRITON X-100在Denver D-12機械浮選槽中，在沒有空氣的條件下混合1min。按體積計算，表面活性劑的濃度為25ppm。根據(jù)類胡蘿卜素的濃度計算，藻的回收率為25％。
C.微濾微濾裝置示于圖3。將來自泡沫浮選槽的藻富集物加入進料槽62中，再通過泵64泵入正交流微濾器66，該泵額定為7.5hp、102A和460V。正交流微濾器包括標稱為1.4μm的ZrO膜，其表面面積為2.15ft2。該膜是由位于加利福尼亞州惠蒂爾的美國過濾公司(U.S.Filter)提供的。該微濾單元的橫截面是六角形的，具有19條用于液體流動的孔道。每條孔道的直徑為4mm，長度為80cm。料液在進入過濾器之前用熱交換器68冷卻。膜兩側(cè)的壓降用壓力表74和76測定。
將剩余液70返回到進料槽，以便使其返回過濾器。滲透液69被廢棄。隨時間的變化記錄滲透液的質(zhì)量。采用下式計算通量NN=M2-M1A(ts-t1)]]>式中A是過濾器可用于流動的橫截面積，M2和M1分別為在時間t2和t1時的滲透液質(zhì)量。進料流量由流量計78測定。溫度由溫度計測定。取剩余液和滲透液樣品，分析類胡蘿卜素。
將懸浮液連續(xù)過濾6h。除去的滲透液大約為150Lb。通量-時間曲線示于圖4。一般觀測到，正交流微濾器的通量在開始降低以后，通量保持相對恒定，為115kg/h/m2，同時壓降在運行期間沒有明顯的增加。這一結(jié)果是意想不到的，原以為破碎藻的膠狀物質(zhì)會很快將膜堵塞。甚至更意想不到的是，在滲透液中檢測不到類胡蘿卜素。由于類胡蘿卜素球體的尺寸很小，小于0.1μm，所以原以為類胡蘿卜素在滲透液中會有大量的損失。
為了降低剩余液中的鹽濃度，進行稀釋過濾。將淡水加入進料槽62。當要求在最終的剩余液中達到所要求的鹽濃度時，需進行另外的過濾和水稀釋步驟。在6h運行結(jié)束時，用等體積的淡水稀釋剩余溶液，并將其過濾13min，恢復到初始的體積。再加入另一份等體積的淡水進行第二次稀釋過濾，在過濾13min后，恢復到開始的體積。對這些稀釋過濾試驗測定的通量示于圖4。
D.泡沫浮選1.機械泡沫浮選將含鹽生杜氏藻懸浮物的鹽水加入Denver D-12臺架泡沫浮選機中。這種泡沫浮選機被設計成在給定的攪拌器速度下能吸入適量的空氣。使用直徑為2.75英寸的8葉片攪拌器。除了實施例20使用4000g的容器以外，所有的實施例都使用2000g的混合容器。在運行期間，從液體中取樣，以確定從鹽水中浮選的動力學和類胡蘿卜素回收率。在每次運行結(jié)束時，收集富集的泡沫，并用UV VIS分光光譜在456nm分析類胡蘿卜素。
實驗參數(shù)包括攪拌器速度、氣體流量、槽容積、鹽水中類胡蘿卜素的初始濃度和表面活性劑用量。氣體的流量通過從攪拌器軸中加入的壓縮空氣來改變。對未破壞的藻、已破壞的藻和前述浮選富集的泡沫測定回收數(shù)據(jù)。實施例8-10在Waring混合器中混合30s，使鹽生杜氏藻的細胞受到破壞。將2000ml含有被破壞細胞懸浮物的鹽水加入浮選槽，并混合10-20分鐘。10min后，類胡蘿卜素的回收率示于表3。
表3.在10min后攪拌器速度對已破壞藻的類胡蘿卜素回收率的影響
實施例11-16將2000ml含鹽生杜氏藻懸浮物的鹽水加入浮選槽，并混合35min。10min后，類胡蘿卜素的回收率示于表4。
表4.在10min后攪拌器速度對未破壞藻的類胡蘿卜素回收率的影響
實施例17-20將含鹽生杜氏藻懸浮物的鹽水加入浮選槽，并在1500rpm下混合15min。浮選槽體積對類胡蘿卜素回收率的影響示于表5。表5.在10min后浮選槽容積對鹽生杜氏藻中類胡蘿卜素回收率的影響
實施例21-25將2000ml含鹽生杜氏藻懸浮物的鹽水加入浮選槽，并混合10min。10min后，氣體流量對類胡蘿卜素回收率的影響示于表6。
表6.氣體流量和攪拌器速度對未破壞的鹽生杜氏藻中類胡蘿卜素回收率的影響
實施例26、27和28將2000ml含低、中和高濃度鹽生杜氏藻的鹽水加入浮選槽，并混合10min。細胞濃度對類胡蘿卜素回收率的影響示于表7。
表7.在10min后類胡蘿卜素濃度對類胡蘿卜素回收率的影響
實施例29和30將2000ml含鹽生杜氏藻懸浮物的鹽水加入浮選槽。將Triton X100加入鹽水中，并在1500rpm和沒有空氣的條件下將溶液混合1min。然后打開空氣閥門，使懸浮液與空氣混合20min。10min后，測定類胡蘿卜素的回收率，并將其結(jié)果示于表8。
表8.在10min后表面活性劑濃度對類胡蘿卜素回收率的影響
實施例31和32將2000ml來自浮選槽的富集泡沫加入浮選槽，并混合35min。10min后，測定類胡蘿卜素的回收率，并將其示于表9。
表9.在10min后攪拌器速度對前述浮選富集泡沫中類胡蘿卜素回收率的影響
實施例33Denver DR-84-槽機械浮選機在轉(zhuǎn)子和定子的配置中，每一槽都安裝有帶8個扁平葉片的Rushton渦輪攪拌器。將藻懸浮液按7gpm連續(xù)加入該設備。槽直徑與攪拌器直徑的比例為2.1。槽的高度與槽直徑的比例為0.84。轉(zhuǎn)子浸沒深度與液體深度的比例為0.75。所有四個攪拌器的葉尖速度保持恒定，為1790ft/min。液體停留時間為11min。Jg為4.0cm/s。氣體與進料的比例為16.4。按不含氣體計算，泡沫中的固體含量為0.02％。類胡蘿卜素的回收率為78％。
2.充氣泡沫浮選a.詹姆森槽實施例34在機械預處理裝置中處理含有鹽生杜氏藻懸浮物的鹽水，以破壞細胞，然后將其在詹姆森槽中處理。詹姆森槽泄水管直徑與銳孔直徑的比例為8.6，提升器直徑與泄水管直徑的比例為5。該槽的Jg為0.44cm/s。射流速度為21.5m/s。泄水管的表觀速度為0.20m/s。泄水管的停留時間為15.1s?？諝馀c進料的比例為0.52。在運行期間類胡蘿卜素的回收率平均為58.8％。按不含氣體計算，泡沫中的固體含量為0.02％。實施例35收集在實施例34中所述運行期間產(chǎn)生的泡沫，并在具有實施例34中所述幾何尺寸的詹姆森槽中處理，以便進一步富集類胡蘿卜素。該槽的Jg為0.27cm/s。射流速度為10.6m/s。泄水管的表觀速度為0.13m/s。泄水管的停留時間為23.2s。空氣與進料的比例為0.49。在運行期間類胡蘿卜素的回收率平均為89.7％。按不含氣體計算，泡沫中的固體含量為0.5％。實施例36在沒有任何機械或化學預處理的條件下，在具有實施例34所述幾何尺寸的詹姆森槽中處理含有鹽生杜氏藻懸浮物的鹽水。該槽的Jg為0.65cm/s。射流速度為46.1m/s。泄水管的表觀速度為0.175m/s。泄水管的停留時間是17.5s。空氣與進料的比例為0.88。在運行期間類胡蘿卜素的回收率平均為52.8％。按不含氣體計算，泡沫中的固體含量為0.02％。實施例37收集在實施例34中所述運行期間產(chǎn)生的泡沫，并在具有實施例34中所述幾何尺寸的詹姆森槽中處理，以便進一步富集類胡蘿卜素。該槽的Jg為0.29cm/s。射流速度為11.9m/s。泄水管的表觀速度為0.14m/s。泄水管的停留時間為21.7s。進料壓力為22psi?？諝馀c進料的比例為0.49。在運行期間類胡蘿卜素的回收率平均為68％。按不含氣體計算，泡沫中的固體含量為8.3％。實施例38在泡沫浮選裝置中處理含有鹽生杜氏藻懸浮物的鹽水。隨后使泡沫破滅，并以65l/min的流量將其連續(xù)加入具有在實施例34中所述幾何尺寸的詹姆森槽中。加入該槽的氣體流量為1.1SCFM。在1h運行期間，泡沫中類胡蘿卜素的回收率平均為89.7％。實施例39在泡沫浮選裝置中處理含有鹽生杜氏藻懸浮物的鹽水。收集底流，并以62l/min的流量將其連續(xù)加入具有在實施例34中所述幾何尺寸的詹姆森槽中。加入該槽的氣體流量為1.7SCFM。泡沫中類胡蘿卜素的回收率平均為79％。
b.多級環(huán)流泡沫浮選柱(MSTLFLO)下面的實施例40-47采用MSTLFLO柱，該柱的直徑為4英寸，高度為125英寸，并裝有3個導管。導管的高度與直徑比為12.2。導管直徑與柱直徑的比例為2。流槽直徑與柱直徑的比例為2。不加發(fā)泡劑。鹽水的pH為6-7。采用金屬陶瓷分布器將空氣噴入柱中。分布器直徑為1英寸，長度為6英寸，孔尺寸為10μm。分布器位于最下面一個導管的底部。布料器位于頂部導管之上6英寸處。實施例40將MSTLFLO柱充滿含類胡蘿卜素的鹽水?？諝夂瓦M料分別以流量1.5SCFH和3.4l/min開始加入，以使空氣與進料的比例為0.21。該柱以連續(xù)方式運行，每隔5min收集一次進料、泡沫和底流樣品。Jg為0.15cm/s，液體的停留時間為5.2min。按不含氣體計算，泡沫中的固體含量為約6％。類胡蘿卜素的回收率為78％。實施例41將MSTLFLO柱充滿含類胡蘿卜素的鹽水?？諝夂瓦M料分別以流量1.5SCFH和6l/min開始加入，以使空氣與進料的比例為0.12。該柱以連續(xù)方式運行。每隔5min收集一次進料、泡沫和底流樣品。Jg為0.15cm/s，液體的停留時間為3.2min。按不含氣體計算，泡沫中的固體含量為約17％。類胡蘿卜素的回收率為76％。實施例42先將MSTLFLO柱充滿含類胡蘿卜素的鹽水?？諝庖粤髁?SCFH開始加入。該柱以間斷方式運行。在浮選20min之后收集進料、泡沫和底流樣品。Jg為0.29cm/s。按不含氣體計算，泡沫中的固體含量為約11％。類胡蘿卜素的回收率為83％。實施例43和實施例41中的情況一樣，將預先在浮選裝置中處理過的含鹽生杜氏藻的鹽水加入MSTLFLO柱中，加入柱中的氣體流量為3-4SCFH。在25min后，泡沫中類胡蘿卜素的回收率高于87％。實施例44在浮選裝置中處理含有鹽生杜氏藻懸浮物的鹽水。隨后使泡沫破滅，和在實施例41中的情況一樣，以2l/min的流量將其連續(xù)加到MSTLFLO柱的頂部?？諝鈴闹撞繃娙耄淞髁繛?SCFH。使該柱連續(xù)運行30min。泡沫中類胡蘿卜類的回收率為81.5％。實施例45在與實施例41相似的運行中，以3.25l/min的流量將鹽水加入MSTLFLO柱中。在30min的運行期間，泡沫中類胡蘿卜素的回收率平均為86.3％。實施例46在與實施例45相似的運行中，以1.14l/min的流量將鹽水加入MSTLFLO柱中。在35min的運行期間，泡沫中類胡蘿卜素的回收率平均為84.9％。實施例47在與實施例41相似的運行中，以0.69l/min的流量將鹽水加入MSTLFLO柱中。在45min的運行期間，泡沫中類胡蘿卜素的回收率平均為81.1％。
c.加拿大柱將上述的MSTLFLO的所有導管拆除后進行運行。不加發(fā)泡劑。鹽水的pH為6-7。采用相同的分布器。布料器位于泡沫溢流堰之下約36英寸處。實施例48將氣泡柱充滿含有類胡蘿卜素的鹽水?？諝夂瓦M料分別以流量5SCFH和5.8l/min開始加入，以使空氣與進料的比例為0.41。該柱以連續(xù)方式運行。每隔5min收集一次進料、泡沫和底流樣品。Jg為0.49cm/s。液體停留時間為3.1min。按不含氣體計算，泡沫中的固體載荷為約0.7％。類胡蘿卜素的回收率為65％。實施例49在浮選裝置中處理含鹽生杜氏藻懸浮物的鹽水。隨后使泡沫破滅，并將其加入4英寸直徑的氣泡柱中。空氣以20SCFH流量從柱底通過分布器加入。在浮選12min之后，泡沫中類胡蘿卜素的回收率為90％。
d.布氣式水力旋流器(ASH)實施例50在按設定值開始進料之前，按所要求的流量開始使氣流進入布氣式水力旋流器中。ASH單元由一個塑料殼組成，塑料殼內(nèi)裝有一個直徑為2英寸的聚乙烯膜，其長度約18英寸，孔的平均尺寸約20μm。在膜受壓側(cè)的氣體壓力保持在10-15psig。為了使浮選容易，不加表面活性材料。取進料、泡沫和底流樣品，測定ASH的性能。Jg為5.9cm/s。氣體與進料的比例保持在5.8。液體的停留時間為1.3s。按不含氣體計算，泡沫中的固體含量為0.09％。類胡蘿卜素的回收率為68％。實施例51-54對實施例50的ASH單元進行評價，以確定對已破壞的藻中的類胡蘿卜素的回收率和富集因數(shù)。結(jié)果示于下面的表10。壓縮空氣通過旋流器的多孔壁加入。進料加到旋流器的頂部。富集類胡蘿卜素的泡沫以溢流排出，而貧藻的鹽水則以底流排出。
表10.ASH的類胡蘿卜素回收率和濃度
E.有價值成分的回收1.溶劑分配系數(shù)在25℃下測定了鹽生杜氏藻中類胡蘿卜素在鹽水和各種溶劑之間的分配系數(shù)，以確定適合萃取操作的溶劑。將3ml溶劑和12ml的藻富集物加入25ml的試管中。在試管內(nèi)將其混合到足夠使傳質(zhì)完成的時間，然后傾析并取樣。結(jié)果示于表11，分配系數(shù)被定義為有機相中的類胡蘿卜素濃度除以水相中的類胡蘿卜素濃度。
表11.在25℃下類胡蘿卜素在鹽水和幾種有機溶劑之間的分配系數(shù)
2.液體萃取將含有鹽生杜氏藻懸浮物的鹽水加入浮選槽中混合10min。收集富集的泡沫并使其在浮選槽中與空氣混合10min。將2000ml經(jīng)二次富集的含類胡蘿卜素的泡沫與400ml溶劑加入3l的混合器中，該混合器的幾何尺寸示于下面的表12中。表12.萃取傳質(zhì)動力學實驗使用的混合容器和攪拌器的尺寸
將混合物在600rpm下攪拌20min。定時取鹽水樣品測定傳質(zhì)動力學。在20min后，停止混合器的運行，并記錄相分離的時間。將油相傾析出來，而將鹽水返回到混合器中。將400ml新鮮有機相加入萃取器中，并在600rpm下將多相混合物攪拌20min。再次進行20min的相分離。使從二級萃取得到的溶劑相澄清4h，以減少膠狀的藻殘留物的體積。然后將固相離心，使溶劑相和鹽水相與藻殘留物分離。從類胡蘿卜素萃取物中蒸發(fā)溶劑，再加入橄欖油，生成類胡蘿卜素的橄欖油懸浮液。在下面的實施例中提供了萃取和相分離的一些數(shù)據(jù)。實施例65 將類胡蘿卜素從富集的泡沫中萃取到庚烷中。
遵照上述的一般萃取方法。將2530g富集的泡沫和280g庚烷加入混合器中?；厥章蕯?shù)據(jù)示于表13。
表13.用庚烷從鹽生杜氏藻中萃取類胡蘿卜素的混合器/澄清器動力學
實施例66 將類胡蘿卜素從富集的泡沫里萃取到萜二烯-[1，8]中。
遵照上述的一般萃取方法。在混合器中加入2516g富集的泡沫和343g萜二烯[1，8]，回收率數(shù)據(jù)示于表14。
表14.用萜二烯-[1，8]從鹽生杜氏藻中萃取類胡蘿卜素的混合器/澄清器動力
>實施例67 將類胡蘿卜素從富集的泡沫里萃取到丁酸乙酯中。
遵照上述的一般萃取方法。在混合器中加入2499g富集的泡沫和353g丁酸乙酯。回收率數(shù)據(jù)示于表15。攪拌器速度為800rpm。
表15.用丁酸乙酯從鹽生杜氏藻中萃取類胡蘿卜素的混合澄清器動力學
實施例68將類胡蘿卜素從富集的泡沫里萃取到橄欖油中。
遵照上述的一般萃取方法。在混合器中加入1845g富集的泡沫和280g橄欖油。在10min后，類胡蘿卜素的回收率為77％。實施例69 萃余液的凈化在浮選槽中加入2000ml來自第二級萃取的萃余液，在2000rpm下混合20min。在16min后，泡沫中類胡蘿卜素的回收率為82％。實施例70 萃余液的凈化使飽和的NaCl鹽水與溶劑接觸，在25℃下使混合物達到平衡。測定在飽和鹽水中的溶劑濃度。向溶液中加入活性炭，直至混合漿體達到平衡。使炭在漿體中沉降，并取鹽水樣品測定溶劑的濃度。結(jié)果示于表16。
表16.在炭床吸附之前和之后飽和NaCl鹽水中溶劑的濃度。在鹽水中溶劑的檢出限為5ppb
3.液體萃取的傳質(zhì)動力學用實驗方法在3l圓筒形容器中測定傳質(zhì)動力學，容器的幾何尺寸示于表12。攪拌器位于容器的中央。隨時間的變化收集液/液分散體的樣品，測定水相中類胡蘿卜素的濃度，這一研究結(jié)果示于表17。
表17.攪拌器速度和溶劑與進料的比例對液體萃取類胡蘿卜素回收率的影響
4.用萜二烯-[1，8]連續(xù)萃取類胡蘿卜素實施例81將含有鹽生杜氏藻懸浮物的鹽水按10gpm加入Denver 5#水處理浮選槽中，該槽的容積約100gal。從該浮選槽中回收富集的泡沫，并將其與萜二烯-[1，8]一起加入3l混合器中?；旌掀骱蛿嚢杵鞯膸缀纬叽缗c表12中所列的相同，攪拌器的速度為600rpm。使混合器的廢液通過一臺在線的粗濾器，以破壞其膠狀的藻殘留物，然后再將其泵送到傾析器中。傾析器裝有一個直徑4英寸，長12英寸的聚結(jié)劑緩沖器，它是由紐約帕拉西帕尼Otto York生產(chǎn)的。從傾析器溢流出的溶劑相進入緩沖槽，再從緩沖槽泵入閃蒸罐中。在閃蒸罐運行之前，將橄欖油加入罐中。將溶劑從閃蒸罐中蒸發(fā)出去，而類胡蘿卜素以橄欖油懸浮液形式回收。蒸發(fā)的溶劑冷凝并返回混合器中。萃取的回收率示于表18。在運行期間，泡沫浮選槽的回收率平均為60％。表18.用萜二烯-[1，8]從鹽水中連續(xù)萃取類胡蘿卜素的萃取效率
上面就具體的優(yōu)選的實施方案敘述了本發(fā)明。然而，以上的說明并不是用來將本發(fā)明限制在所列舉的實施方案的范圍內(nèi)，本領域的技術(shù)人員應當理解，在上面說明書中所述的本發(fā)明的實質(zhì)和范圍內(nèi)可做許多改動。本發(fā)明包括一切可選擇的方案、改進和等價物，這些都包括在由所附權(quán)利要求所規(guī)定的本發(fā)明的實質(zhì)和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種使顯微藻水懸浮液脫水的方法，其中包括以下步驟a)從藻的來源獲得藻的水懸浮液；b)充分破壞藻細胞，以促進細胞與水懸浮液的氣泡吸附分離；和c)將細胞與懸浮液分離，是采用一種或多種氣泡吸附分離技術(shù)，其中包括將細胞吸附到細氣泡上產(chǎn)生氣泡和藻的附聚物和形成附聚物泡沫的步驟。
2.權(quán)利要求1的方法，其中使藻脫水的氣泡吸附分離技術(shù)選自泡沫浮選、電解浮選、溶解氣體浮選及其組合。
3.權(quán)利要求1的方法，還包括用機械方法過濾水懸浮液。
4.權(quán)利要求1的方法，還包括從脫水藻中提取至少一種成分。
5.一種使顯微藻水懸浮液脫水的方法，其中包括以下步驟a)從藻的來源獲得藻的水懸浮液；b)充分破壞藻細胞，以促進細胞與水懸浮液的氣泡吸附分離；c)將氣體分散成細氣泡，以與水懸浮液接觸；d)使細氣泡與水懸浮液密切接觸；e)使藻吸附到氣泡的表面上，形成密度與水懸浮液不同的氣泡和藻的附聚物；和f)使氣泡和藻的附聚物與水懸浮液分離，得到脫水的藻富集物。
6.權(quán)利要求5的方法，其中將氣體分散成細氣泡的步驟選自產(chǎn)生水懸浮液的液體射流，并使液體射液穿過空氣射入懸浮液中；將氣體噴入懸浮液中；將氣體通入懸浮液中，再用機械方法剪切懸浮液和氣體；及其組合。
7.權(quán)利要求5的方法，其中將氣體分散成細氣泡的步驟包括使電流通過水懸浮液。
8.權(quán)利要求5的方法，其中將氣體分散成細氣泡的步驟包括對液體加壓，將氣體溶解在加壓液體中，將溶解在加壓液體中的氣體通入水懸浮液中，再釋放壓力，使氣體集結(jié)并形成細氣泡。
9.權(quán)利要求5的方法，其中使細氣泡與水懸浮液密切接觸的步驟選自機械混合、充分混合、細氣泡與水懸浮液順流流動、細氣泡與水懸浮液逆流流動及其組合。
10.權(quán)利要求5的方法，其中氣泡和藻的附聚物與水懸浮液分離的步驟包括借助重力或離心力分離。
11.權(quán)利要求5的方法，其中破壞藻細胞的步驟選自在氣泡存在下用機械方法剪切水懸浮液中的細胞、在足以破壞細胞的壓力下使水懸浮液通過縮頸進入液相、使詹姆森槽在足以破壞細胞的壓力下運行及其組合。
12.權(quán)利要求5的方法，其中重復進行步驟c)至f)，以使藻進一步脫水。
13.權(quán)利要求5的方法，還包括在破壞藻細胞的步驟b)之后，用機械方法過濾水懸浮液。
14.權(quán)利要求5的方法，還包括從脫水藻中提取至少一種成分。
15.一種使鹽生杜氏藻鹽水懸浮液脫水的方法，其中包括以下步驟a)從鹽生杜氏藻來源中獲得鹽生杜氏藻懸浮液；b)充分破壞鹽生杜氏藻的細胞，以促進藻與鹽水的氣泡吸附分離；c)將氣體分散成細氣泡以與鹽水接觸；d)使細氣泡與鹽水密切接觸；e)使藻吸附到氣泡的表面上，形成密度與鹽水不同的氣泡和藻的附聚物；和f)使氣泡和藻的附聚物與鹽水分離得到脫水的鹽生杜氏藻富集物。
16.權(quán)利要求15的方法，其中破壞鹽生杜氏藻細胞的步驟b)，包括在壓降為約50-200psig下使水懸浮液通過泵環(huán)路中的縮頸進行循環(huán)，循環(huán)的百分數(shù)為約100-300％。
17.權(quán)利要求15的方法，其中破壞鹽生杜氏藻細胞的步驟b)，包括在氣泡存在下，以足夠破壞細胞的葉尖速度，在水懸浮液中旋轉(zhuǎn)攪拌器；在足以破壞細胞的壓力下，使水懸浮液通過縮頸進入液相；和在足以破壞細胞的壓力下使水懸浮液通過詹姆森槽的進料入口。
18.權(quán)利要求15的方法，其中氣體不含氧化劑。
19.權(quán)利要求15的方法，其中氣體選自空氣、氮、二氧化碳、輕碳氫化合物、惰性氣體及其混合物。
20.權(quán)利要求15的方法，在破壞細胞的步驟b)之后，還包括使水懸浮液與深床過濾介質(zhì)接觸、收集過濾介質(zhì)中的藻、和從過濾介質(zhì)中回收藻的步驟。
21.權(quán)利要求20的方法，其中利用液體返洗從過濾介質(zhì)中回收藻，該液體選自水、鹽水和一種或多種有機溶劑，有機溶劑選自天然香味劑、合成香味劑、食用油、石油化學溶劑及其混合物。
22.權(quán)利要求21的方法，其中深床過濾介質(zhì)選自金剛砂、石英砂、無煙煤、玻璃毛及其混合物。
23.權(quán)利要求15的方法，其中重復進行步驟c)至f)，以便得到藻懸浮液中有價值成分的可萃取濃度。
24.權(quán)利要求15的方法，還包括用溶劑從脫水藻中萃取有價值成分的步驟，該溶劑選自食用油、天然香味劑、合成香味劑、石油化學溶劑、高密度氣體及其混合物。
25.權(quán)利要求15的方法還包括以下步驟a)使脫水藻富集物與溶劑接觸，該溶劑選自食用油、天然香味劑、合成香味劑、石油化學溶劑、高密度氣體及其混合物；b)使藻的富集物與溶劑進行相分離，產(chǎn)生富集混合類胡蘿卜素和溶劑的粗萃取相、藻殘留物碎渣層和富鹽水的萃余液；和c)將類胡蘿卜素富集在粗萃取物中。
26.權(quán)利要求25的方法，還包括處理碎渣層回收成分的步驟，這些成分選自甘油、蛋白質(zhì)、葉綠素及其混合物。
27.權(quán)利要求25的方法，其中食用油溶劑選自玉米油、豆油、橄欖油、花生油、芝麻油及其混合物；其中天然香味劑選自萜二烯-[1，8]、丁酸乙酯及其混合物，其中合成香味劑選自乙酸乙酯、丙酸乙酯、合成丁酸乙酯、苯甲醛、合成萜二烯[1，8]及其混合物，其中石油化學溶劑選自庚烷、二甲苯、二氯甲烷、氯苯及其混合物，和其中高密度氣體選自二氧化碳、乙烷、丙烷、丁烷、含氯氟烴及其混合物。
28.權(quán)利要求27的方法，還包括采用色譜法以食用油或香味劑對類胡蘿卜素萃取物進行純化。
29.權(quán)利要求15的方法，還包括以下步驟a)使脫水藻與第一種溶劑接觸，第一種溶劑選自食用油、天然香味劑、合成香味劑、石油化學溶劑、高密度氣體及其混合物；b)使脫水藻與第一種溶劑進行相分離，產(chǎn)生富類胡蘿卜素和溶劑的粗萃取相、藻殘留物碎渣層和富鹽水的萃余相；和c)將第一種溶劑交換為第二種溶劑。
30.權(quán)利要求15的方法，還包括使來自步驟(f)的鹽生杜氏藻通過正交流微濾膜，并產(chǎn)生貧藻的鹽水滲透液和具有可萃取濃度的藻剩余液的步驟。
31.權(quán)利要求30的方法，還包括使可萃取濃度的藻與高密度的氣體接觸，將混合類胡蘿卜素萃取到高密度氣體中，并從高密度的氣體中回收混合類胡蘿卜素的步驟。
32.權(quán)利要求15的方法，還包括以下步驟1)在使水懸浮液與細氣泡接觸的步驟d)之前，將溶劑分散在鹽水中，2)使脫水藻與預分散的溶劑進行相分離，產(chǎn)生富集混合類胡蘿卜素和溶劑的粗萃取相、藻殘留物碎渣層和富鹽水的萃余相；和3)將類胡蘿卜素富集在粗萃取物中。
33.一種從鹽生杜氏藻的鹽水懸浮液中回收混合類胡蘿卜素的方法，其中包括以下步驟a)從鹽生杜氏藻的來源獲得鹽生杜氏藻懸浮液；b)破壞至少一部分鹽生杜氏藻的細胞，其方法是在約50-200psig的壓降下使鹽水通過泵環(huán)路中的縮頸進行循環(huán)，循環(huán)的百分數(shù)為約100300％；c)用泡沫浮選流程處理來自步驟b)的鹽水，以產(chǎn)生藻的富集物；d)使藻的富集物通過正交流微濾膜，以產(chǎn)生貧藻的鹽水滲透液和具有可萃取濃度的藻剩余液；e)使可萃取濃度的藻與高密度的氣體接觸；f)將混合類胡蘿卜素萃取到高密度的氣體中；和g)從高密度的氣體中回收混合類胡蘿卜素。
34.權(quán)利要求33的方法，還包括用步驟g)回收的類胡蘿卜素制備干的混合類胡蘿卜素產(chǎn)品的步驟。
35.權(quán)利要求33的方法，其中用泡沫浮選流程處理鹽水，生產(chǎn)藻富集物的步驟包括以下步驟a)將鹽水加入粗選區(qū)，以回收藻濃度適度增加的鹽水；和b)將從步驟a)回收的鹽水加入精選區(qū)，以生產(chǎn)藻富集物。
36.權(quán)利要求33的方法，其中用泡沫浮選流程處理鹽水，生產(chǎn)藻富集物的步驟c)包括以下步驟a)產(chǎn)生鹽水的液體射流，并使液體射流穿過空氣射入鹽水中，以將氣體分散成細氣泡；b)通過細氣泡與鹽水順流流動，使細氣泡與鹽水密切接觸；c)使藻吸附到泡沫的表面上，形成泡沫和藻的附聚物；d)利用重力將泡沫和藻的富集物與鹽水分離，以得到泡沫；e)使泡沫破滅；f)重復步驟a)至e)至少一次，以得到第一級藻的富集物；g)將氣體噴入根據(jù)步驟(f)得到的第一級藻的富集物中，以便將空氣分散成細氣泡；h)使細氣泡與藻富集物密切接觸；i)重復進行步驟c)至e)，以得到第二級藻富集物。
37.一個使顯微藻水懸浮液脫水的系統(tǒng)，其中流體流通的裝置包括a)從藻的來源中獲得藻水懸浮液的裝置；b)充分破壞藻細胞的裝置，以促進細胞與懸浮液的氣泡吸附分離；和c)通過氣泡吸附分離從懸浮液中分離細胞的裝置，所述的裝置包括產(chǎn)生氣泡的裝置，使氣泡與懸浮液密切接觸的裝置，以便使藻細胞吸附到氣泡上，從而形成氣泡和藻的附聚物，以及分離附聚物和懸浮液的裝置。
38.權(quán)利要求37的系統(tǒng)，還包括從脫水藻中提取至少一種成分的裝置。
39.權(quán)利要求37的系統(tǒng)，其中流體流通的裝置還包括用機械方法過濾水懸浮液的裝置，用于接受來自所述細胞破壞裝置的被破壞細胞。
40.權(quán)利要求37的系統(tǒng)，其中包括所述氣泡發(fā)生裝置，這種裝置選自產(chǎn)生水懸浮液的液體射流，并使流體射流穿過氣體射入懸浮液的裝置；將氣體噴入懸浮液的裝置；和將氣體通入懸浮液并剪切懸浮液和氣體的裝置；及其組合。
41.權(quán)利要求37的系統(tǒng)，其中包括使氣泡與藻細胞密切接觸的所述裝置，這種裝置選自機械混合裝置、充氣混合裝置、使細氣泡與水懸浮液形成順流流動的裝置、使細氣泡與水懸浮液形成逆流流動的裝置及其組合。
42.一個使鹽生杜氏藻的鹽水懸浮液脫水的系統(tǒng)，其中包括一個泡沫浮選流程，該流程具有至少一個泡沫浮選藻的第一段裝置，定義為粗選區(qū)，用于適度提高鹽水的藻濃度；和至少一個泡沫浮選藻的第二段裝置，該裝置中的流體與所述第一段裝置中的流體串聯(lián)流動，該裝置定義為精選區(qū)，用于生產(chǎn)藻的富集物。
43.權(quán)利要求42的系統(tǒng)，其中所述粗選區(qū)和所述精選區(qū)的每一個區(qū)都包括一個或多個泡沫浮選裝置，其中的流體呈串聯(lián)或并聯(lián)流動，該裝置選自機械浮選槽、充氣浮選槽及其組合。
44.權(quán)利要求43的系統(tǒng)，其中所述的充氣浮選槽選自詹姆森槽、MSTLFLO柱、氣泡柱、ASH單元、EKOFLOT槽、微氣泡浮選柱及其組合。
45.權(quán)利要求42的系統(tǒng)，其中定義為粗選區(qū)的所述裝置包括詹姆森槽。
46.權(quán)利要求42的系統(tǒng)，其中定義為精選區(qū)的所述裝置包括第一級詹姆森槽精選機，該精選機中的流體與定義為粗選區(qū)的所述裝置中的流體串聯(lián)流動，用于接受藻濃度適度提高的鹽水，和第二級MSTLFLO槽精選機，該精選機中的流體與所述第一級詹姆森槽精選機中的流體串聯(lián)流動。
47.權(quán)利要求42的系統(tǒng)，還包括破壞藻細胞的裝置，所述裝置中的流體流入定義為粗選區(qū)的所述裝置，以向所述的粗選區(qū)提供被破壞的藻細胞。
48.權(quán)利要求47的系統(tǒng)，其中所述的細胞破壞裝置包括一個其中具有縮頸的泵環(huán)路。
49.權(quán)利要求42的系統(tǒng)，其中定義為粗選區(qū)的所述第一段泡沫浮選裝置包括具有至少一個泄水管和一個提升器的詹姆森槽，所述的泄水管具有進料入口，所述的詹姆森槽包括破壞藻細胞的裝置，所述的破壞裝置包括一個在泄水管內(nèi)靠近進料口的縮頸，進料在足夠的壓力下通過縮頸時，細胞就被破壞。
50.一個從鹽生杜氏藻的鹽水懸浮液中回收混合類胡蘿卜素的系統(tǒng)，其中包括a)一臺泵，用于從鹽生杜氏藻的來源中獲得含有鹽生杜氏藻的鹽水；b)使鹽水通過所述泵進行循環(huán)的管線；c)一個在所述管線中的縮頸，用于在所述的管線中產(chǎn)生壓降，從而可使藻細胞被充分破壞，以便隨后進行泡沫浮選；d)第一段詹姆森槽，其流體來自所述的泵，該槽用于回收藻濃度適度提高的鹽水；e)第二段詹姆森槽，其流體來自所述的第一段詹姆森槽，用于進一步富集鹽水中的藻；f)MSTLFLO柱，其流體來自所述第二段詹姆森槽，該柱用于生產(chǎn)至少約2000ppm的藻富集物；g)正交流微濾器，其流體來自所述的MSTLFLO柱，該微濾器用于生產(chǎn)藻濃度至少約10,000ppm的剩余液；h)萃取設備，其流體來自所述的正交流微濾器，該萃取設備用于從所述的藻富集物中萃取混合的類胡蘿卜素。
51.權(quán)利要求50的系統(tǒng)，其中還包括深床過濾器，用于接受被破壞的細胞、過濾這些細胞，并將濾過的細胞輸送到第一段詹姆森槽。
全文摘要
本文公開了從鹽生杜氏藻中回收混合類胡蘿卡素的方法和系統(tǒng)。一般采用在高壓下使藻懸浮液通過泵環(huán)路循環(huán)破壞所收獲的細胞。然后可利用氣泡吸附分離技術(shù)使細胞脫水,該技術(shù)包括具有粗選區(qū)和精選區(qū)的泡沫浮選回路。如果需要進一步富集,可在不存在絮凝劑的條件下,在正交流微濾設備中用機械方法過濾藻的富集物,在滲透液中基本上不損失類胡蘿卜素。還公開了從藻中提取混合類胡蘿卜素和其它成分的各種方法,其中包括高密度氣體萃取以及采用天然的和合成的香味劑和食用油萃取。
文檔編號C12N1/06GK1241149SQ97180868
公開日2000年1月12日 申請日期1997年12月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月10日
發(fā)明者J·S·卡內(nèi)爾, S·A·蓋爾徹爾 申請人:伊斯曼化學公司