专利名称：用气泡塔进行微藻脱水的方法
技术领域：
本发明涉及从水藻中提取物质的方法。更具体地，本发明涉及从盐生杜氏藻中提取混合类胡萝卜素的方法。
背景技术：
类胡萝卜素是在柑桔和黄色蔬菜中以及在多种深绿色食物中发现的深橙黄色的色素。β-胡萝卜素是各种类胡萝卜素中最丰富的。β-胡萝卜素在体内可转化成维生素A。维生素A是一种脂溶性的维生素，与在体内不能贮存的水溶性维生素不同，它可在体内，主要在肝脏内贮存一段时间。如果服用过量的维生素A，则对人体有害。但是，β-胡萝卜素在体内根据需要转化成维生素A，一般被认为是无毒的维生素A的来源，甚至在大量服用下。
β-胡萝卜素已被证实为一种抗氧化剂，可抵抗动物组织中发生氧化带来的危害。由于上述原因以及作为无毒的维生素A的来源，β-胡萝卜素是高价值的，并且是商业上重要的营养添加剂。但是，最近人们关注这样一个问题β-胡萝卜素在自然界中广泛存在，怎样将其从混合类胡萝卜素中分离出来，作为一种具有保健作用的营养添加剂。
来源于植物的混合类胡萝卜素，包括β-胡萝卜素，可从各种来源中获得，包括胡萝卜、菠菜和棕榈油，但是它们在杜氏藻属水藻中的相对浓度更高。这些水藻通常生长在浓缩的盐溶液中。在合适的生长条件下，混合类胡萝卜素占水藻干重的10％以上。
例如，当盐生杜氏藻处于高温、强光以及氯化钠浓度高于20％(重量/单位体积)的盐水溶液中时，它趋向于积累大量的类胡萝卜素和甘油。人们认为，类胡萝卜素可以保护水藻免受光照。随着盐水中盐浓度的增加，类胡萝卜素的浓度也增加，直至水藻能够耐受的极限盐浓度为止。
目前已经提出了很多从盐生杜氏藻中提取β-胡萝卜素、类胡萝卜素和其它有价值的成分的方法。盐生杜氏藻提供了一种β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素的来源，其目前已被用于数种营养添加剂的生产。但是，在不采用有潜在毒性的溶剂和其它不良物质的情况下，从盐生杜氏藻中经济有效地提取类胡萝卜素仍存在一些问题。将盐生杜氏藻作为一种类胡萝卜素来源在商业上的开发还存在很多困难。
耐盐水藻，包括盐生杜氏藻，一般生长在盐湖中，例如犹它州的大盐湖。从湖泊和其它天然环境中收集盐生杜氏藻在商业上是一般不现实的，部分原因是，对水藻的生长条件不加控制时，它的浓度很低。
在商业上，盐生杜氏藻通常从专门在户外建筑的池塘中生长的培养物中收集。这些户外的池塘一般都建筑在气候炎热干燥、阴雨天少的地区，有利于提高类胡萝卜素的产量。
有两种不同的水生养殖的方法培育水藻。一种是密集型，另一种是粗放型。这两种水生养殖技术都需要向培养环境中添加饲料，以补充必要的无机养料，如磷、氮、铁和痕量金属，这些都是通过光合作用增加生物量所必需的。
这两种生产模式的主要差异在于水藻生长环境的混合方式不同。密集型的池塘采用机械工具进行混合，而粗放型的池塘利用风力混合。因此，在密集型的水生养殖中对影响水藻生长的因素能更准确地加以控制。
在密集型和粗放型的两种模式中，生长环境的含盐量被控制在一定的范围内，通常约为18％-27％(氯化钠重量/单位体积盐水)。该浓度范围被认为能够获得最大的类胡萝卜素产量。通常认为盐生杜氏藻的最佳生长范围约在含盐量18％-21％之间，当含盐量超过约27％时，水藻生物量中的类胡萝卜素具有最高产量。据报道，当含盐量达到约24％时，每单位体积盐水中类胡萝卜素的产量最大。
密集型水生养殖的户外池塘一般投资较大，通常采用混凝土建造以及用塑料平铺。盐水的深度通常控制在20厘米，这是产生水藻生物量的最佳深度。已提出的密集型水生养殖的池塘外形有多种。但是，露天的导水池塘一般是商业上最重要的。导水池塘采用了叶轮进行混合。需要仔细控制化学和生物学参数，包括盐和饲料的浓度、盐水pH值、以及培养物纯度。
粗放型水生养殖在澳大利亚的炎热和干旱地区进行。粗放型水生养殖的户外池塘通常大于密集型水生养殖的户外池塘，且它们通常建造在河床上。露天池塘一般用土堤围成。不采用混合设备。池塘的混合通过风力进行。为了获得最大的类胡萝卜素产量，需使池塘深度和化学组成实现最优化。
但是，与密集型池塘相比，由于粗放型池塘缺乏有效的混合和池塘的容积较大，其最佳的类胡萝卜素产量及培养物纯度和稳定性的参数更不易控制，盐水的组分变化较大，水藻的生物量的浓度也低于密集型池塘。粗放型池塘更易受捕食者和竞争者侵袭的影响。
捕食者和竞争者一般不能在20％或20％以上的盐浓度中生存。如果池塘盐浓度低于20％左右，培养物可能受到迅速繁殖的捕食者的侵袭，从而大量杀死盐生杜氏藻种群。主要的捕食者是纤毛虫Fabreasalina和盐水虾Artemia salina。当盐浓度低于约15％时，其它水藻易与盐生杜氏藻竞争营养，且捕食者也将进一步减少盐生杜氏藻种群。
由于培养物更为稀少，从粗放型池塘盐水中收集水藻比从密集型池塘中收集水藻存在更多的问题。但是，现已发现水藻趋于在粗放型池塘和天然盐湖的边缘聚集成堆。水藻经常被吹过湖或池塘的表面，在顺风侧成堆聚集(windrows)。现认为，由于水藻的高浓度聚集，如果具有采收堆聚水藻的能力可显著提高经济效益。然而，目前还没有满意的采收堆聚水藻的方法。
从一个固定的采收水藻的位置恒定地采收堆聚水藻通常是不可能的。风的方向通常具有一定的不可预测性，且经常变化。水藻堆也许沿着池塘或湖泊边缘在不同的位置形成。当水藻堆没有在固定的采收位置形成时，用水藻含量少的稀悬浮液进行加工，将造成产量下降。由于加工稀释的培养物的投入将增加，采收的成本也随之提高。
然而，高采收成本可通过建筑密集型水生养殖池塘时的混凝土和塑料的资金投入抵消。每单位容积的土制粗放型池塘建筑成本明显低于砌有混凝土的密集型水生养殖池塘的成本。
现认为，如果可从其天然生长的湖泊中采收水藻，那么可以想象能够基本上节省池塘建筑的成本、饲料的成本以及配置盐水的成本。但是，从湖泊和其它天然环境中采收水藻一般被认为是不经济的，也没有商业利益。通常也无法控制湖水的盐浓度、湖水的矿物质和营养组成以及天然盐湖的混合程度。稳定性差的稀释的水藻培养物也可能出现。
部分地由于从它们生长的盐水中分离水藻还存在许多问题和困难，盐生杜氏藻含量少的培养物的加工通常是不经济的。水藻具有可移动性、且密度适中、呈约12-16×25微米大小的椭圆形状，这些使得采收水藻存在一定困难。
盐生杜氏藻一般通过使用化学絮凝剂或促凝剂以及沉淀器、离心机、过滤器、吸附剂或其它分离手段从含有水藻的盐水中分离。化学处理剂，如硅烷，可用于吸附介质中增强吸附。已经有多种方法从水藻中提取β-胡萝卜素、类胡萝卜素和其它有价值的成分，包括甘油和蛋白质。烃类溶剂、食用油溶剂和超临界二氧化碳均已被提出作为提取用溶剂。水藻还可通过机械手段进行破碎，以利于成分的提取。
化学添加剂如絮凝剂和促凝剂的使用限制了盐生杜氏藻作为类胡萝卜素和β-胡萝卜素来源的商业开发，部分原因是这些物质加入到水藻悬浮液，尤其是稀的悬浮液中增加了成本。并且化学添加剂化学处理剂、以及烃类溶剂在营养添加剂中被认为是不良成分。
更为经济有效地采收盐生杜氏藻，以及提取类胡萝卜素和其它有价值的成分，且使其含有较少的或不含不良添加剂，是十分必要的。
发明概述本发明提供了一种从微藻生长培养基中分离微藻，以便从该微藻中提取成分的方法。该方法包括可将水藻脱水以及获得水藻浓缩物(从中可经济地提取可提取成分)的吸附泡分离方法。可提取的浓缩物可以从各种初浓缩物中获得。污染生长培养基或水藻浓缩物的化学添加剂和处理剂可以避免使用。如果需要，提取后的生长培养基和水藻残留物还可返回其生长环境。
本发明可经济地使从天然湖泊和池塘的稀悬浮液中获得的水藻脱水。在稀悬浮液中的细胞含量有时低于2000个细胞/毫升生长培养基。多吸附泡分离单元可用于使水藻脱水。在相应的吸附泡分离步骤中，水藻可逐渐浓缩。
本发明可应用于水藻堆聚物的采收，且包括一种可移动的采收设备。一方面，吸附泡分离方法使用以轻质塑料制成的、触地面积小的气流泡沫浮选设备。由于触地面积小，设备可安装在易于移至堆聚物形成位置的平板车、拖车、筏、或其它易于操纵的运输工具上。该设备可移至堆聚物所在位置，而不是等待堆聚物移至设备所在位置。
本发明也可经济地使在粗放型和密集型养殖池塘中培养的更为浓缩的悬浮液脱水，其中该池塘中的细胞的数量有时可达到百万个细胞/毫升生长培养基。
本发明的方法包含以下几个步骤首先，获得在生长培养基中的水藻悬浮液的来源可包括密集型池塘、粗放型池塘或天然湖泊，如盐生杜氏藻生长茂盛的犹它州的大盐湖盐水。水藻悬浮液获得后，通过吸附泡分离法从含水培养基中分离水藻。
另一方面，本发明包括分散气体浮选方法(通常包括机械的和气流的泡沫浮选方法)、溶解气体浮选法和电解方法，这些方法用于使杜氏藻属的水藻悬浮液脱水以及在不使用不良化学添加剂或处理剂条件下从水藻中提取成分。食品级溶剂的使用，可使得杜氏藻中混合类胡萝卜素的回收率提高。
电解和溶解气体浮选不同于分散气体浮选。当含水培养基为浓盐水时，由于盐水导电性强于清水，更强的电流对于电解浮选技术是必需的。气体在浓盐水中通常比在清水中更不易于溶解。
盐生杜氏藻的脱水可通过破裂包围藻体的细胞膜，然后在不使用促凝剂或絮凝剂的情况下通过吸附泡方法除去水分而进行。虽然不希望受理论的局限，但是可以认为，当包围藻体的细胞膜破裂时，藻体吸附在与盐水紧密接触的疏水气泡上。高剪切条件的使用通常可使絮状藻体断裂，对直接浮选絮状体的方法而言，该条件不可取。水藻看来似乎含有足够浓度并可产生稳定泡沫的天然的表面活性剂。有数种断裂方法将在下文的发明详述中讨论。
在分散气体浮选法之一的泡沫浮选中，气体被分散成细泡。气体可以是空气，或是不含氧气或不含使类胡萝卜素氧化的氧化剂的气体。细泡和水藻悬浮液紧密接触，吸附水藻于泡沫的表面，形成泡沫与水藻的附聚物以及不含水藻的盐水。泡沫与水藻的附聚物从液相中以浓缩的水藻悬浮液泡沫形式分离。
如果需要，浮选助剂可用于增强回收率。至少在盐水中的盐生杜氏藻脱水过程中，可不需要絮凝剂或促凝剂，但是需要，也可使用。破裂的水藻通过吸附于气泡而被浮选，而不是通过凝絮过程。高的剪切场可用于提供小的气泡，且可使泡沫与微粒间紧密接触，但是在凝絮浮选方法中，一般使用低剪切场，以减小絮状体断裂至最小。
通过产生水藻悬浮液液体喷射流，再使液体喷射流通过气体，并进入水藻悬浮液中的气体分散相，这样，用于泡沫浮选的气体可被分散成细泡。在下文发明详述中将描述的Jameson槽是一种可以应用于本发明的这一方面内容中的设备。
如在塔中，通过喷射气体进入液相中，气体可被分散成细泡。一种多级循环流浮选塔，有时称为“MSTLFLO”塔，是一种用于实施本发明这一部分内容的设备。
通过导入气体于水藻悬浮液中，再机械剪切悬浮液和气体，气体可被分散成细泡。通过导入气体于湍流的、高速流动的液体中，气体可被分散成细泡，该液体中包含产生细泡的固定搅拌器。通常，液体是清水、盐水、或一种表面活性溶液。
根据环境和可获得的设备情况，上述设备和其它可产生细泡且可提供泡沫与水藻悬浮液之间的紧密接触的设备之间的组合也是适用的。
泡沫与水藻悬浮液之间的紧密接触可通过下面的几种方法完成。泡沫与悬浮液可通过机械或气流进行混合。机械混合设备一般利用垂直轴上的旋转叶轮提供机械混合和通风。通风也可通过鼓风机进行。
气流混合是依靠气体加入到气泡与水藻悬浮液的两相系统中，形成密度差异而实现混合。泡沫与水藻悬浮液之间可通过对流或并流或各种方法的组合进行接触。
吸附泡分离步骤通常重复用于浓缩水藻悬浮液，可从水藻悬浮液中获得水藻浓缩物，并适于从水藻中提取可提取的成分，包括从盐生杜氏藻中提取混合类胡萝卜素。
在本发明的另一方面中，本发明的方法包含过滤水藻悬浮液。水藻悬浮液可与接触或通过滤膜(如微量过滤)进行过滤。通过厚层过滤介质过滤，通常在吸附泡分离步骤之前进行，是一种预浓缩步骤。虽然，在下文本发明的详述中描述的任何破裂方法是可取的，但是通常水藻悬浮液经过足够的压降，水藻一般于过滤前便破裂。微过滤通常用作一种后浓缩步骤，其在吸附泡分离步骤之后进行，以获得一种适于高密度气体提取水藻成分的水藻浓缩物。
在另一方面，本发明包括将已脱水的水藻悬浮液与合适的溶剂接触，而从脱水的水藻悬浮液中提取成分。如果需要，可将溶剂预分散在随后提取的水藻悬浮液中。在本发明实施中，适于使用的提取溶剂包括食用油、食用香料、石油化学溶剂以及高密度气体，然而未必获得相同的结果。食用香料，通常被认为是安全的，作为提取溶剂具有优良的特性，其粘度低、易于使用、比食用油具有更强的溶解能力。石油化学溶剂通常不用于营养添加剂成分的提取，出于该原因，经常被避免使用。
如果悬浮液中水藻的合适浓度已获得，如果需要，提取可通过高密度气体完成，高密度气体包括超临界和亚临界二氧化碳以及其它气体。一般，在泡沫浮选后，将水藻通过微滤膜进行浓缩，以获得适于用高密度气体进行成分提取的残留物的浓度。但是，如果需要，有或没有微量过滤步骤，都可以使用更传统的提取方法。
这样，与现有的盐生杜氏藻采收和脱水方法及从水藻中提取混合类胡萝卜素的方法相比，本发明尤其提供了更经济有效和营养合格的方法。可从稀浓缩物、堆聚物、或更为浓缩的来源中进行采收。如果需要，可使用可移动的采收设备。在不使用絮凝剂、促凝剂或其它不良添加剂的条件下，通过吸附泡分离方法可完成脱水过程。β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素可使用食品级溶剂从浓缩的水藻中提取，以得到可食用的混合类胡萝卜素。
附图简述本发明的一些特征与优点已经描述。结合附图，本发明的其它优点将随着发明过程的描述变得明显。其中
图1为水藻悬浮液的获得、水藻脱水、和从水藻中提取成分的流程图。
图2为破裂藻体的泵循环简图。
图3为水藻悬浮液的交叉流微过滤流程简图。
图4为图3的交叉流微量过滤流程中流通量与时间的关系示意图。
图5为描述泡沫浮选方法中不同区域的简图。
图6为泡沫浮选流程简图，包括使水藻悬浮液脱水的粗选池、精选池、扫选池。
图7为机械泡沫浮选槽的简图。
图8为单下流管Jameson槽的简图。
图9为多级循环流泡沫浮选塔(也称为MSTLFLO塔)简图。
图10为Canadian塔(有时也称为泡沫塔或常规塔)简图。
图11为有利的泡沫浮选流程简图，包括Jameson粗选槽、一级Jameson精选槽、二级MSTLFLO精选机、交叉流微量过滤单元、连续高密度气体提取单元和提供混合类胡萝卜素产品的旋风分离器。
图12为从水藻中提取混合类胡萝卜素和其它有价值成分的方法流程图。
发明详述本发明的从水藻生长培养基中分离水藻的一般步骤如图1所示。图1表示了为从盐生杜氏藻中提取混合类胡萝卜素，使含有水藻即盐生杜氏藻的盐水脱水的方法。
盐生杜氏藻在各种水藻中有些独特，它通常为含叶绿素的单细胞生物，没有真正的细胞壁。然而，盐生杜氏藻被认为具有保护性磷脂细胞膜，该细胞膜在本发明实施中被破裂。在吸附泡分离过程中，对盐生杜氏藻在盐水中的表面活性效果有影响的主要是水藻体内的成分，而不是细胞膜。
应该认识到，杜氏藻属中包括Dunaliella bardawil种，正如这里所描述的一样，本发明的内容也同样适用于Dunaliella bardawil。在关于杜氏藻属分类的文献中也许存在一些争议，盐生杜氏藻(Dunaliella salina)与Dunaliella bardawil是同一个种也是可能的。
但是，应该认识到，还有其它水藻，淡水与盐水藻，也可采用本发明的方法进行脱水，但不一定获得相同的结果。另外其它水藻也许包含别的有益成分，包括类胡萝卜素、蛋白质以及其它有机化合物，如果需要，也可根据本发明进行提取，但不一定获得相同的结果。本发明的内容通常也适用于绿藻门和红藻门的水藻。
为便于阅读，下面的标题列出了发明详述的余下内容和实施例。I.水藻采收II.水藻细胞破裂III.化学助剂和化学处理剂(任选，但通常不是必需的)IV.机械过滤以从生长培养基中分离水藻V.吸附泡分离法进行水藻脱水A.概述
B.泡沫浮选C.泡沫浮选流程1.粗选2.精选3.扫选D.通常的机械和气流浮选槽1.机械浮选槽2.气流浮选槽a.Jameson槽b.多级循环流浮选塔(MSTLFLO)c.Canadian塔d.喷气水力旋流器(ASH)e.EKOFLOT气流浮选槽f.MicrocelTM微泡浮选塔g.其它浮选设备E.有利的泡沫浮选流程VI.从浓缩的水藻悬浮液中回收成分A.成分的纯化和分离B.β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素C.产品和应用D.甘油、蛋白质和其它成分VII.实施例A.在泵循环中细胞破裂B.厚层过滤C.微量过滤D.泡沫浮选1.机械泡沫浮选2.气流泡沫浮选a.Jameson槽b.多级循环流浮选塔(MSTLFLO)c.Canadian塔d.喷气水力旋流器(ASH)
E.有价值成分的回收1.溶剂分布系数2.液体提取3.液体提取质量转移动力学4.用柠檬油精连续提取类胡萝卜素I.水藻采收图1中，根据步骤20，从其来源得到含有盐生杜氏藻盐水悬浮液的原料流。通常从来源将水藻悬浮液泵送至水藻脱水设备，便获得了原料流。一般，离心泵用于采收水藻，然而其它泵也可替代使用。在化工中进行各种类型液体转移时，离心泵是最广泛使用的泵之一。
有时，采用可移动的采收泵从来源将水藻悬浮液转移至脱水设备。在这种情况下，本发明可用于堆聚物的采收。采收泵可以为浮泵、或水下泵，或是可以安装在筏或其它设备上的泵，且该设备易于移至堆聚物形成的位置。
本发明的脱水方法主要依靠触地面积小的泡沫浮选塔进行。由于触地面积小，设备可安装在的平板车、拖车、筏、或其它易于操纵的运输工具上，该运输工具易于移至或接近接收原料流的位置。该设备可移至采收位置，而不是等待采收位置移至设备所在位置。
用作原料流的水藻悬浮液的浓度可在稀悬浮液至更为浓缩的悬浮液范围内变化。本发明可将天然湖泊和池塘中的水藻稀悬浮液脱水。例如，本发明可用于使从犹它州大盐湖获得的天然盐生杜氏藻种群稀悬浮液脱水。
稀悬浮液中的细胞浓度有时低于2000个细胞/毫升生长培养基。由于可移动采收泵可移至堆聚物形成的位置，该移动采收泵的使用，提高了获得水藻悬浮液的经济效益。
本发明可经济地使粗放型和密集型培养池塘中获得的较浓缩的悬浮液脱水，其细胞数量有时可达到百万个细胞/毫升生长培养基。II.水藻细胞破裂如图1步骤22所示，通常，无论通过吸附泡分离或通过厚层过滤，均在悬浮液脱水前破裂盐生杜氏藻细胞。破裂的细胞具有高的回收率，在0.0003毫克混合类胡萝卜素/毫升悬浮液与0.3毫克混合类胡萝卜素/毫升悬浮液之间。该范围相当于约2,000-3,000,000个藻细胞/毫升。
破裂细胞的过程可在空气中进行，但是在不含氧气或氧化剂的条件下是有利的，可减少破裂细胞的成分暴露于氧气中。有价值化合物的氧化，包括类胡萝卜素的氧化则可以基本上避免。合适的气体包括对水藻细胞成分呈惰性的气体，如氮气、二氧化碳、氩气和其它一般被认为具化学惰性的稀有气体以及它们的混合物。
在气流泡沫浮选前破裂细胞对于回收类胡萝卜素是必要的。但是，应该理解气流浮选设备在操作时，也将使细胞破裂，正如下文所述，所以单独的预先破裂细胞的步骤是不必要的。在机械泡沫浮选设备的转子和定子结构形成的剪切场中，细胞易于破裂。通过将完整的细胞加入到机械泡沫浮选设备中，有效细胞的95％以上可以回收。如果在吸附泡分离过程之前或之后，使用厚层过滤浓缩水藻悬浮液，破裂细胞的过程是必要的，因为厚层可有效地捕获藻体。
任何合适的方法均可用于破裂细胞。细胞可通过机械方式破裂，如高剪切搅拌机和French压榨机。通过使悬浮液流经循环泵中的阀门，也可使细胞破裂。
脱水过程的第一步是在高压下使水藻悬浮液通过Jameson槽，此时水藻细胞也可被打破。Jameson槽和它破裂细胞的过程将在下文的泡沫浮选技术进行水藻悬浮液脱水的内容中描述。通过在Jameson槽中破裂水藻，可省去单独的破裂步骤。
通过将盐水从其来源运送到脱水设备的采收泵来回收部分原料流，可使悬浮液易于在泵回路中循环。
图2所示的破裂水藻细胞的设备，是通过使悬浮液流经泵回路中的阀门来破裂细胞的。图2将在下文的实施例中描述，同时也描述了在泵循环中破裂细胞时，是如何确定压降和回收率的。
正如图2所示，通过泵38(可以是离心泵)，水藻悬浮液从其来源34被运送至脱水设备36。泵排出管道40输送盐水至脱水设备。泵排出管道中的节流阀42用于调整压降。盐水通过原料进口管道44进脱水设备。循环管道46用于从泵出口侧至泵入口侧循环输送盐水。通过泵回路中的阀门50，循环管道内的流速可根据需要变化以达到所需的回收百分率。
将水藻悬浮液流经一个压降进行细胞破裂时，有两个参数决定破裂细胞的数量。第一个参数是压降的大小，第二个参数是流经该压降的细胞数量。破裂水藻的百分比随压降和回收百分率的提高而提高。在低于约200磅/平方英寸的压降条件下，重复多次通过压降可以使40％以上的细胞破裂。然而，当回收百分率高于100％时，在高于约150磅/平方英寸压降条件下，收效不大。重复多次通过压降可以增加破裂细胞的百分率。
已证实，将水藻悬浮液通过由回收率约100-300％，压降约50-200磅/平方英寸的泵回路提供的压降，可以有效破裂盐生杜氏藻。另外，也已证实约100-150磅/平方英寸的压降和约200-300％的回收率是适用的。III.化学助剂和化学处理剂(任选，但通常不是必需的)由于下面描述的各种原因，尤其是从水藻中获得产品用作营养添加剂的原因，在水藻采收和脱水时使用化学助剂和化学处理剂通常是没有必要的。应该强调的是在本发明的实施过程中，化学助剂和化学处理剂通常是不需要的。在本发明的其它与破裂细胞技术相关内容中，也可不使用化学助剂和化学处理剂进行脱水。但是，如果需要，可以选择使用化学助剂和化学处理剂。
根据各种目的的需要，脱水之前将化学助剂加入到水藻悬浮液中。提高分离效果的化学助剂可分为三种类型促凝剂、表面改性剂和预分散溶剂。在提取步骤前，如在悬浮液脱水步骤前，在回收类胡萝卜素的下续提取步骤中使用的溶剂可在水藻悬浮液中分散。这些溶剂据说是被”预分散”的。溶剂，包括预分散溶剂，将在下文的本发明的提取步骤中描述。促凝剂如离子促凝剂和多聚物絮凝剂的添加可以产生更大的易于被分离的聚集体。表面改性剂如起泡剂和浮选促集剂的添加使得水藻更利于浮选。
化学助剂可在细胞破裂后或吸附泡分离前加入到混合设备中。但是，本发明中进行盐生杜氏藻脱水时不需要使用所不希望的化学助剂。本发明中细胞破裂技术足可以使水藻脱水。
相反化学助剂可不利地影响用水藻成分制备得到的营养添加剂的质量和价值，同时也不利地影响水藻生长环境的质量。在制备营养添加剂的过程中的一些化学助剂也许是有害健康的。对水藻生长环境和水藻残留物而言，化学助剂的使用还会引起废弃物处理上的问题。例如，从大盐湖中获得的水藻悬浮液进行脱水时，由于不使用不良的化学助剂，盐水可以返回湖中。
从经济学的角度来说，一些化学助剂也是不可取的。当天然湖泊和粗放型池塘中相对较稀的悬浮液被用于收集水藻时，凝结藻体需要使用大量的化学物质，如明矾。因此，需要有从藻体中分离化学添加剂的后续步骤，也相应增加了生产成本。
虽然化学助剂通常是不必要的，但使用起泡剂以提高泡沫浮选过程中水藻的回收率仍是可行的。起泡剂可在进入泡沫浮选设备前加入到气相或液相中，或直接加入到泡沫浮选设备中的水藻悬浮液中，以增加泡沫的稳定性和产生细泡。起泡剂的例子包括2-乙基己醇、甲基异丁基甲醇(也称为MIBC)、以及Dowfroth 250。Dowfroth 250可从位于Midland，Michigan的Dow化学公司购得。当使用起泡剂时，起泡剂的用量根据水藻悬浮液脱水的方式不同而变化。通常，起泡剂的用量在5-25ppm之间变化。
然而，应该强调的是，从盐生杜氏藻中回收类胡萝卜素的过程中，一般不需要使用起泡剂。虽然不希望局限于理论，但可以认为水藻含有足够浓度的化合物，并具有在饱和盐水中产生细泡的表面活性能力。
原料流中的水藻可被收集器和压缩机调节，以提高浮选的选择性。例如，提高细泡对盐生杜氏藻而不是对耐盐细菌或其它不需要的竞争性水藻或捕食者的吸附选择性是可行的。收集器聚集藻体，且吸附或吸附它们于泡沫表面，以致藻体可与泡沫一起被收集。另一方面，压缩机聚集悬浮液中不需要的成分，基本上排斥它们吸附于泡沫上。压缩机的使用是可行的，否则许多杂质将与水藻一起被回收。
促凝剂包括合成多聚物和离子促凝剂。离子促凝剂一般包括明矾或氯化铁。通常，不使用促凝剂是可行的。促凝剂在本发明实施中是不必要的。但是，在本发明许多方面，它们的使用是根据具体情况而决定，并且也可能是有利的。例如，促凝剂的使用有时可提高厚层过滤介质中水藻成分的回收率。IV.机械过滤以从生长培养基中分离水藻根据图1，本发明的方法可有选择地包括各种过滤步骤。在吸附泡分离盐水中的水藻之前和之后这两种情况下，分别如步骤24和28所示，均可使用机械过滤。通常，在吸附泡分离之前，水藻悬浮液可通过厚层过滤进行浓缩。在吸附泡分离之后，水藻悬浮液可通过微量过滤进行浓缩。但是，应该认识到，这些过滤步骤中的任一种均可在吸附泡分离步骤之前或之后使用，且在某些情况下，吸附泡分离步骤也许是不必要的。然而，在有效进行水藻悬浮液浓缩以获得水藻成分的方式中，吸附泡分离通常是最经济的一种。
厚层过滤是一种用于浓缩水藻悬浮液至经济上可行的极限的技术，该极限值为进料液中仅含约1％的固体。超过此极限值，厚层过滤将是不经济的。随着固体含量的增加，需要通过逆流洗涤的次数将越来越多，以除去过滤介质中的固体。过滤时迫使液体通过塔的压力也越来越大。因此，厚层过滤通常在吸附泡分离之前进行，用于浓缩水藻悬浮液，若在吸附泡分离之后进行此步骤几乎没有作用。
厚层过滤中水藻悬浮液通过重力向下流，然后经一粒状介质层而实现过滤，该粒状介质通常是沙。水藻被留置在粒状介质的孔中和介质颗粒之间的缝隙中。
厚层过滤不应该被认为是粗滤。粗滤只在筛网或纤维表面进行。而厚层过滤却将微粒留置于整个滤层内部的每个有可能滞留来自流过的悬浮液中的水藻细胞的孔和缝隙中。
合适的厚层过滤介质包括通常在工业化生产过程中使用的介质如石英砂、石榴石砂、无烟煤、玻璃纤维及它们的混合物。这些介质可用清水或盐水洗涤以回收水藻细胞，以便进一步地通过吸附泡分离获得浓缩的有价值成分。
介质也可以与溶剂接触以回收被捕获的水藻细胞中的有价值成分。在下文由盐生杜氏藻提取类胡萝卜素的内容中描述的溶剂也同样可用于厚层过滤从藻体中提取相似的成分。
完整的细胞或者破裂细胞中的成分均可通过厚层过滤进行回收。完整的细胞可在过滤前使细胞凝絮而回收。但是，如果在过滤前细胞已经破裂，那么回收率将有显著的提高。用含量至少为0.002毫克类胡萝卜素/毫升盐水的水藻原料悬浮液进行本发明的实施，可以得到超过70％的类胡萝卜素回收率。本发明中使用厚层过滤的一个例子见实施例部分的描述。
对于某些提取过程或由于其它原因的需要，可以将盐生杜氏藻中的类胡萝卜素浓度增加到超过厚层过滤或吸附泡分离过程中可行的极限值。通常，吸附泡分离过程有一个可行的上限，即类胡萝卜素的最大浓度不超过10,000ppm。对于一些经济上可行纯化过程而言，如高密度气体提取过程，得水藻悬浮液中类胡萝卜素的浓度应该超过约10,000ppm。
微量过滤可以增加盐生杜氏藻盐水悬浮液中类胡萝卜素的浓度，且可超过通常泡分离可得到的浓度，该浓度是以渗透物中类胡萝卜素无测量损失的数量级来计算的。在本发明中实施微量过滤时，浓度可以达到约20,000ppm。图3表示了一种交叉流微量过滤过程的简图。使用图3的设备进行微量过滤详见实施例部分VII C。
正如图3所示，盐生杜氏藻盐水悬浮液，例如从泡沫浮选槽中获得的悬浮液，注入收集罐62。悬浮液通过泵64运送至交叉流微量过滤器66。在进入过滤器之前，热交换器68可以选择性地用于冷却悬浮液。微量过滤器配有由多孔膜装备而成，水藻悬浮液沿着多孔膜被泵送。典型的膜可以含有陶瓷材料如氧化锆，且通常绝对等级小于10微米。
滤膜通常是圆柱形，悬浮液则被泵送通过该圆柱体。盐水通过膜，作为渗透物通过管道69被除去。藻体保留在悬浮液中，作为滞留物通过圆柱体后经管道70被回收。滞留物可被运回收集罐，并循环通过过滤器多次直到获得足够的浓度。另外，滞留物可运至微量过滤器的另一步骤或通过管道72直接运至提取器。
类胡萝卜素球径通常小于十分之一微米，一般可明显地在渗透物中发现有丢失。通过泡沫浮选设备获得的悬浮液中的藻体通常是破裂的，悬浮液有点呈凝胶状，易很快堵塞滤膜。然而，通过实施本发明的方法，类胡萝卜素通常在渗透物中不易检测到，且流出物经初始压降后，通过滤膜的流出物的量基本上保持恒定，而无需提高压降。
清水可以加入到原料流中或滞留物中，以减少悬浮液的盐浓度。附加的过滤和稀释步骤可根据需要而增加，以获得所需的最终盐浓度和滞留物中的类胡萝卜素浓度。过滤后进行的稀释处理有时称为“渗滤(diaflitration)”。微量过滤和渗滤的流出物与时间的曲线关系如图4所示，同时也将在下文的实施例部分描述。V.吸附泡分离法进行水藻脱水A.概述如图1所示，经过水藻细胞破裂的步骤22和选择性的过滤步骤24和28后，如果进行过滤的话如果有也很少，根据步骤26，则有必要进行吸附泡分离以浓缩水藻悬浮液。
吸附泡分离是基于气泡流过水悬浮液时水藻细胞物质选择性的吸附在其表面上。气泡浮起形成泡沫，带走水藻物质，通常是从塔顶馏出。吸附泡分离方法适于从大量的盐水中除去少量的水藻。
有各种吸附泡分离技术，其中一些有泡沫产生，有些没有泡沫产生。一种用于使水藻脱水的吸附泡分离技术是分散气体浮选技术，称为“泡沫浮选”。气体分散于液体中的泡沫浮选技术的简图见图5。
另一种在本发明中可实施使用的吸附泡分离技术是电解浮选法和溶解气体浮选法。然而，应该认识到，这些方法在实施中存在局限，且它们也没有必要与分散气体浮选方法有等同的效果。在电解浮选法中，将电流通入即将分离水藻的含水的培养基中，即可产生气泡。如果含水的培养基是浓缩的盐水，产生气泡需要相对大的电流。在溶解气体浮选法中，在单独容器中在压力下，将气体溶入部分原料流中，然后将形成的混合物导入浮选容器。一个突然的压降可引起溶解气体集结，形成细泡。空气在盐水中的溶解度是有限的，其它对类胡萝卜素没有不受影响的更可溶的气体也可以选择使用，如氦气。B.泡沫浮选如图5所示，泡沫浮选设备包括泡沫发生区84、收集区86、分离区88和泡沫区90。部分或所有的这些区域可在同一容器中也可在不同的容器中。原料流80进入泡沫浮选设备时，根据所用的设备不同，可首先进入收集区86，也可首先进入泡沫发生区84。在这两种情况下，气体均在泡沫发生区分散于水藻悬浮液后，进入收集区形成气液两相分散系。产生大量的细泡以达到最大的气体表面积是需要的，这样，在一定容量的水藻悬浮液中，利于气泡与藻体碰撞。
在收集区，在促进紧密接触的条件下，水藻悬浮液与细泡接触。气泡与藻体碰撞形成气泡水藻聚集物。在收集区进行剧烈的混合以提高碰撞的频率是需要的。
气泡和水藻聚集物在收集区形成后，一般通过重力作用，它们在分离区88与不含水藻的盐水分离。气体密度小于盐水密度的2至3个数量级。密度的差异促使气泡和水藻聚集物浮于气液分散相的表面，在泡沫区90以泡沫的形式积累。
富含类胡萝卜素的泡沫沿着流出线93溢流出泡沫区。图6中的收集洗涤槽122一般用于接收泡沫区的溢流物，在洗涤槽中泡沫破碎。底物流线92流出的是不含水藻的盐水。浮选设备的底物流线流出物可以重复回收或丢弃。
用于吸附泡分离设备的合适的气体应该是无毒无害的，如空气、氮气、二氧化碳、氦气、氩气和其它一般被认为具化学惰性的稀有气体以及它们的混合物。不含氧气或氧化剂的惰性气体优选用于类胡萝卜素的提取，以免类胡萝卜素在细胞质中被氧化。C.泡沫浮选循环浮选循环中使用泡沫浮选设备可以使水藻中有价值成分的回收率和浓度达到最大。浮选过程中相对较高的能量投资可以通过采用浮选循环获得的高回收率和高浓度得到补偿。
图6简要地表示了泡沫浮选循环，将用于气流泡沫浮选的泡沫浮选塔进行串联连接。但是，应该理解，图示的原理可应用于可包含机械和气流泡沫浮选设备泡沫浮选循环。
图6表示的泡沫循环流程包含粗选区94、精选区96和扫选区98。浮选容器的功能取决于它在循环中三个区域的哪一个位置。水藻悬浮液作为进料流102进入粗选机100。粗选机中的溢流物为初精选机106提供进料流104。水藻浓缩液从终精选机108中通过料流110流出。初扫选机114的进料流112由初精选机106的底物流出物提供，提高了类胡萝卜素的回收率。不含水藻的盐水废液分别以粗选机100的底物流118和终扫选机116的底物流120被排出。根据需要，使用多级精选机和多级扫选机可以提供最佳的产品回收率和浓度。根据需要，可以不使用扫选机。另外，粗选机的底物流物118可以行为进料流供给初均选机114，以便在扫选区98中加工。在这种情况下，如果需要，初精选机106的底物流物也可以回收进入粗选机100，或者作为废液排出，或者作为初扫选机的进料。1.粗选粗选机100的功能是作为粗选区94的初级泡沫浮选，用于分离水藻与盐水。粗选机的目的是产生高的水藻回收率，并且适当增加浓度。因此，粗选机一般在保证有价值的产品获得最高的回收率以及适中的浓度条件下运行。用作粗选机的浮选设备的运行条件与用作精选机的浮选设备相比，通常表面气体的流速较高，泡沫厚度较小。
将从水藻的来源处如天然的湖泊或池塘，或其它一些来源如密集型和粗放型养殖池塘中获得水藻悬浮液泵送至粗选机作为原料102。悬浮液可根据需要采用上文描述的破裂细胞或机械过滤盐水的步骤进行预处理。活的、完整的细胞、或已破裂的细胞、或它们的混合物均可进入粗选机。如果没有预先的细胞破裂步骤，粗选机的使用可以使原料中的大部分细胞在粗选机中破裂。
产生的气泡和水藻聚集物浮在气体和液体悬浮液的表面，它们可作为浓缩的泡沫被收集。浓缩物从粗选机中溢流进入收集洗涤机122，然后进入收集罐252，如图11所示。粗选机的底物流物118可以被送回盐水来源处、或丢弃，或进一步通过并联设置的一级或多级浮选设备进行处理。2.精选作为粗选机100的溢流物而离开粗选区94的水藻悬浮液104可通过串联的一个或多个精选机106、124和108进一步富集类胡萝卜素。精选区的目的是产生有利回收的富含类胡萝卜素的水藻浓缩物。水藻细胞浓缩在每一个精选机溢流出的泡沫中。精选机106和124的溢流物提供了下一个精选机的原料。底物流物一般被回收作为前面的精选机的原料。通常，用本发明的方法进行浮选时，可以获得浓度至少约2000ppm的类胡萝卜素。
精选区可包含单个泡沫浮选容器或包含串联或并联接收原料流的多个容器。精选机的底物流物可以被丢弃、返回粗选机区、返回前面的精选机、通过串联或并联的一个或多个扫选机、或根据类胡萝卜素在底物流物中的浓度进行处理。3.扫选在扫选区98中，在底物流物中丢失的类胡萝卜素可被收集以获得最大的产品回收率。扫选区获得的浓缩物126被回收进入精选区，扫选区的底物流物通常被丢弃或返回盐水来源处。扫选区可包含单个泡沫浮选容器或包含串联或并联接收原料流的多个容器。
如图6所示，扫选区98包含3个串联的扫选机114、128和116。扫选机的原料供给见上文的描述。扫选机114和128的底物流物130和132分别提供了下一个串联扫选机中的原料。每一个扫选机的溢流物126用作精选区的原料。D.通常的机械和气流浮选槽合适的泡沫浮选设备包括商业上可以获得的用于气体和液体接触的设备。这些设备也称为“槽”，可被分为两种主要的类别机械浮选槽和气流浮选槽。机械浮选槽通常包括可分散气体且可提供足够的气泡与水藻接触的定子和转子结构。在足够速度下运转的机械浮选槽中，转动叶轮产生的剪切场可使藻体破裂。当叶轮在足够速度下运转时，单独的破裂细胞的步骤是没有必要的。
气流浮选槽与机械浮选槽的最大差异是浮选设备中是否有旋转叶轮。在气流浮选设备中，气泡和水藻的碰撞仅由通入的气体导致，没有其它运转部件。通常在气流浮选前将水藻破裂是有必要的。但是，当气流浮选槽在适宜的条件下运行时(下文将要描述)，藻体可在槽中破裂。随后的气流浮选槽可象精选机和扫选机一样进行操作，由于藻体已经破裂，没有必要在相似的条件下进行。
根据设备性能和分离目的，气流和机械浮选槽可以在泡沫浮选流程中的任一或所有位置使用。但是，气流浮选槽通常比机械槽有优点。在一定的设备容量和能量消耗下，气流设备与机械设备相比，气流设备可以获得更高的回收率和生产量，因此可以减少资金和操作方面的成本。气流设备可以由重量轻、价格低的塑料制成，可进一步节省资金，提高可移动性。这些优点和其它一些优点将在下文进一步描述。
此处描述的机械和气流浮选槽有几个共同的运行参数，如气相的表面速度Jg、气体与原料的比例、液体在浮选装置中的滞留时间、浮选助剂的用量以及浮选气体的性质。几个设计参数对各种泡沫浮选设备也是共有的，如收集区的高宽比、分离区的高宽比、相接触方法如并流、逆流、交叉流和机械混合、从浆液中分离气泡和水藻聚集物的方法、以及产生气泡的方法。
泡沫浮选设备的性能可以根据泡沫中类胡萝卜素浓度和类胡萝卜素回收率而量化。每一种泡沫浮选设备都有几个特定的几何学参数和运行参数，但上述的主要参数是本文描述的整个浮选方法领域所共有的。1.机械浮选槽机械浮选槽134的流体动力特性见图7。机械槽通常采用定子和转子结构136导入气体，形成气泡，通过液体的流动使得气泡和水藻碰撞。容器高度与直径的比例称为“高宽比”，通常在约0.7与2之间变化。典型地，四个或更多的类似图7的槽进行串联设置可以基本上实现充分的混合，同时使液相的短路循环达到最小，每个槽的中部均装有定子和转子结构136。通常可安装辅助的鼓风机给槽中提供足够的气体。
收集区150和分离区152均在机械槽的同一个容器中。如果需要，机械槽可以密封以使操作更加容易进行并回收基本上不能氧化类胡萝卜素的气体。
通过旋转叶轮138，即气泡发生器，气体被分散成细泡。旋转叶轮可产生一个低压区，使得气体通过吸气管148流入收集区150，随着气体从槽底部向上的流动，被分散成细泡，与水藻悬浮液混合。
水藻悬浮液作为进料流140通过进料箱141进入机械槽。气泡和水藻通过旋转叶轮产生的湍流而接触。气泡和水藻聚集物离开收集区150进入相对静止的分离区152，它们浮于液相的表面而实现分离。
气泡和水藻聚集物通过重力与液相分离，然后在槽顶部的泡沫区154收集富集了类胡萝卜素的泡沫。富集了类胡萝卜素的泡沫作为水藻浓缩物流144被回收。泡沫通常溢流出槽进入收集洗涤机。另外，泡沫也可通过机械装置进行回收，如泡沫刮板。液相则被回流入收集区，最终作为不含水藻的盐水底物流物146离开该槽。
合理设计的定子和转子结构可产生定量的气体，将该气体分散成细泡，且使气体与液体混合，实现水藻与气泡之间足够的接触。在两相混合区，要获得气泡与水藻的高碰撞频率和优良的浮选性能，需要有良好的混合和足够的液体滞留时间。
Jg在机械浮选槽中的定义是容量气体流动速度/与泡沫和液相交界面平行的槽的横截面积。随着Jg值的增大，气体在液相中的滞留量也增大，在泡沫中的滞留量减小，可以获得更快的浮选动力，但在泡沫中类胡萝卜素的浓度(不计算气体)降低。对于从盐生杜氏藻中提取类胡萝卜素而言，Jg值的可在约0.1至5cm/s之间变化。Jg值优选约2至4cm/s。
液体滞留时间定义为机械槽中分散相的容积/液体容量流速。长的滞留时间可在泡沫中获得更高的类胡萝卜素回收率。对于从盐生杜氏藻中提取类胡萝卜素而言，滞留时间约为3至12分钟。滞留时间优选约5分钟以上。
气体与原料的比例小的好处包括减小设备的容量和节省机械槽中的鼓风机的成本。对于从盐生杜氏藻中提取类胡萝卜素而言，气体与原料的比例约为5至20。气体与原料的比例优选约5至15。
叶轮的末端速度影响气泡的大小和通过收集区的再流通量。随着末端速度的增加，气泡尺寸变小，通过收集区的再流通量增加。但是，高的末端速度可能导致更大的机械损耗，并且驱动叶轮所需的功力更高。气泡和水藻聚集物在高的末端速度下可破裂。对于从盐生杜氏藻中提取类胡萝卜素而言，末端速度约为900至2500英尺/分钟。末端速度优选约1500至1800英尺/分钟。超过约1500英尺/分钟的末端速度对于破裂藻体是有利的。
机械浮选槽有四个主要的几何学参数。这些几何学参数是1)转子的浸没深度与液体深度的比例，2)槽直径与叶轮直径的比例，3)液体深度与槽直径的比例，4)转子和定子结构的设计。对于从盐生杜氏藻中提取类胡萝卜素而言，转子的浸没深度与液体深度的比例约为0.7至0.75。槽直径与叶轮直径的比例约为1.5至5.5。经常使用的槽直径与叶轮直径的比例约为2。液体深度与槽直径的比例约为0.6至0.9，优选0.8至0.9。
转子和定子结构包括由Dorr-Oliver Incorporated ofMillford，Connecticut制造的产品、由Svedala of ColoradoSprings，Colorado的分公司Denver Equipment Company制造的产品、由Wemco Products of Salt Lake City，Utah制造的产品、以及由Outomec Oy of Espoo，Finland制造的产品。2.气流浮选槽气流浮选槽在许多方面不同于机械搅动的浮选槽。气泡在气流槽中通过任何现有技术中已知的机械方式均可产生。气泡可通过穿孔管起泡装置、节流孔板、文丘里管、或静态搅拌器产生。使用静态搅拌器时，通常采用起泡剂溶液与气体混合。
一些气流槽与机械槽相比，它们可产生更细的气泡。因此，在气流槽中，碰撞频率更高，浮选所需的滞留时间通常更短。
气流浮选槽，特别是浮选塔，通常比机械槽具有更大的高宽比。气流槽的容器高度与直径的比例通常也较大。气流设备通常可以产生较厚的泡沫层，相应地需要增加排液时间和干燥器，以获得更为浓缩的泡沫。由于容器的高度通常大于容器的直径，洗液可加入到泡沫中以提高产品的纯度。
气流浮选槽相对于机械槽的另一个优点是重量轻、材料及建造成本低。气流浮选槽可由价格低的轻质塑料制成，且由于没有叶轮和驱动设备，重量和成本可进一步降低。由于气泡的产生以及气体与液体的接触均不需要使用机械的转子和定子组件，气流浮选槽的投资和运行成本也比机械槽有明显的降低。
一般地讲，用作精选机的气流浮选槽在收集有限的状况下，或者在载重量有限的状况下都可操作。在收集有限的状况下，微粒的收集量受气泡与水藻之间碰撞数量的限制。在载重量有限的状况下，气泡表面被水藻物质饱和。因此，微粒的收集量速度受加入到塔中的气泡的表面积大小限制。由于用于提取过程的盐水的容积可以达到最小，所以形成表面几乎被水藻物质饱和的气泡是有利的。
根据图5，如果需要，原料流可通过机械或化学处理，使得水藻更加易于浮选。在气泡发生区，通过气泡发生器，气体被分散成细泡。气泡发生器可安装在泡沫浮选设备的内部也可安装在其外部。内置的气泡发生器的一个例子是穿孔管起泡装置。外置的气泡发生器的一个例子是静态混合器，混合器内起泡剂溶液与气体混合。
气泡和水藻悬浮液进入收集区，气泡和水藻碰撞形成气泡水藻聚集物。气泡和水藻可通过气相和液相的逆流或并流、或通过气流混合实现碰撞。聚集物漂浮通过分离区至液相与泡沫的交界面，流入泡沫区，在此气体滞留量迅速增加。
泡沫可与洗液接触，以便从泡沫中的水藻中分离被带走的亲水微粒和补给水。泡沫富含生物量离开设备。液相在设备底部，作为不含生物量的底物流物被排出。
可循环使用的空气或惰性浮选气体易于在气流浮选设备中使用。通过密封收集洗涤机即可循环使用气体。起泡剂可被加入到液相或气相中以产生细泡。
有几种气流浮选设备可在本发明的水藻脱水以及从盐生杜氏藻中进行类胡萝卜素回收的过程中使用。这些设备包括，具有较大高宽比的塔，它具有上述气流设备的许多优点。一些气流浮选槽以及它们在本发明中的使用将在下文描述。
气流浮选槽包括诱导气体浮选槽和喷射空气的水力旋流器、或“ASH”。在诱导气体浮选槽中，将液体和气体一起通过槽底部的喷嘴喷出，气体即被分散在液体中。ASH利用气体转移通过一个多孔的壁形成泡沫，泡沫溢流而出。a.Jameson槽单下流管的Jameson槽156如图8所示。Jameson槽已在美国专利US5,188,726，US5,332,100和US4,938,865中公开，所用这些内容作为参考也列入本文。对于本发明的从盐生杜氏藻中进行类胡萝卜素提取而言，Jameson槽产生的泡沫中水藻物质约占60ppm至13％(不计算气体)。
Jameson槽由两个主要的构件组成。第一个构件是下流管158，通常是直径约为100至280毫米、长约3米的柱。第二个构件是上流管160。上流管是一个下流管注入的槽。上流管的直径通常大于下流管的直径。另外，多个下流管可以注入同一个上流管中。
Jameson槽的下流管限定了收集区86(图5)，且通常它的高宽比约为10至30。上流管包括分离区88(图5)和泡沫区90(图5)，且它的高宽比通常约为0.5至5。相接触的方法是在下流管中向下多相并流。气泡和水藻聚集物在上流管中通过重力作用与不含水藻的盐水分离。通过高速喷射，气体在液相中卷吸和分散，于是在下流管中产生气泡。
水藻悬浮液通过管道162进入下流管顶部，通过节流孔板164，形成高速液体喷射流。由于下流管预留空间166的压力小于大气压，使得气体通过管道168进入下流管预留空间。喷射的气体在下流管中撞击液体的表面，使得气体被带入液相中。通过喷射气流的动量散失产生的高速度梯度，带走的气体可分散成细泡。以两相流动的形式，气体和液体流过下流管。两相流动形式接近于在垂直管中向下并流的柱塞流，使得气泡和水藻碰撞形成气泡水藻聚集物。多相分散液，经过下流管的底部进入上流管。
Jameson槽操作时，上流管中的液体平面170稍微高于下流管端部172，形成一个液体密封状态。气泡和水藻聚集物在上流管中与盐水分离。聚集物浮于上流管表面，以溢流出槽的泡沫174被收集进入收集洗涤机176。不含水藻的盐水作为料流178从槽底物流出。
为使产品回收率和泡沫中产品浓度达到最佳，上流管可根据需要设计深度。由于直径小于约500微米的极细的气泡可以在底物流178中带走聚集物，上流管需要有一定的深度以避免这种现象的发生。对于高回收率的操作，泡沫的深度可以低于50毫升，但通常为300至800毫升。洗液180可加入泡沫中以提高浓缩物纯度。Jameson槽可在空气条件下操作，也可在能使类胡萝卜素降解最小的气体中密闭操作。
通常，Jameson槽的操作条件，尤其是上流管中表面气体速度、Jg，可根据不同的目的而变化，如粗选、扫选或净化。
Jameson槽的Jg定义为上流管中的表面气体速度，它等于气体容积流速/与泡沫和液相交界面平行的上流管横截面积。对槽Jg的选择可以使得气泡与水藻聚集物在上流管中充分分离，同时可使泡沫稳定。Jg在泡沫溢流点有最大值，此时，在分离区和泡沫区的气体滞留量相等，交界面消失。在高Jg值条件下，槽发生溢流前，气泡和水藻聚集物明显被带入底物流178，说明回收有损失。Jg的最小值根据产生稳定泡沫的需求而决定。如果气体流速过小，泡沫易于破裂，严重地造成聚集物反复被带入上流管160中的分离区。
上流管中表面气体速度取决于系统特性和它的用途。用于粗选中盐生杜氏藻的脱水，Jg值约为0.1至1.0厘米/秒。粗选机中Jg值优选0.3至0.5厘米/秒。用于精选中盐生杜氏藻的脱水，Jg值约为0.05至0.5厘米/秒。精选机中Jg值优选0.1至0.35厘米/分钟。
表面气体速度相对较低，至少部分原因是水藻中存在表面活性剂。高浓度的表面活性剂可导致在低Jg值条件下泡沫溢流。令人惊奇地是，泡沫浮选类胡萝卜素时，只需要如此低的Jg值。更令人惊奇地是，水藻中天然的起泡剂具有如此高的浓度和具有使类胡萝卜素易于浮选的表面活性能力，甚至在氯化钠饱和的盐水中。
Jameson槽的下流管表面速度可通过原料流速和下流管的横截面积计算获得。下流管滞留时间是一个紧密相关的参数，其定义为下流管容积/原料容积流速。这两个参数的的值直接影响设备的生产量和性能。长的滞留时间，也意味着低的表面速度，可以提高水藻收集的效果，因而在泡沫中类胡萝卜素具有高的回收率。短的滞留时间和大的表面速度可增加塔的处理量。
对于从盐生杜氏藻中回收类胡萝卜素而言，下流管表面速度约为0.1至0.4米/秒。下流管滞留时间约为9至30秒。对于从盐生杜氏藻中回收类胡萝卜素而言，当Jameson槽用作粗选机和扫选机时，下流管表面速度和滞留时间的值分别约为0.15至0.3米/秒和约10至20秒。当Jameson槽用作精选机时，下流管表面速度和滞留时间的值分别约为0.1至0.2米/秒和约15至25秒。
气体与原料的比例定义为气体容积流速与液体容积流速之间的比例。由于形成了具有尺寸分布更均一的细泡，Jameson槽中气体与原料的比例降低将对塔具有稳定作用。随着气体与原料的比例的增加，比表面小且尺寸分布宽的粗泡将形成。最终，形成大气泡其相对着向下流动而上升。
对于从盐生杜氏藻中回收类胡萝卜素而言，当Jameson槽用作粗选机、扫选机和精选机时，气体与原料的比例均约为0.3至0.9，优选约0.4至0.7。
在下流管入口处的进给压力决定了喷射的速度。对于从盐生杜氏藻中回收类胡萝卜素而言，通过机械预处理来破裂水藻以利于浮选，其进给压力约为20至60磅/平方英寸。对于Jameson槽用作粗选机和扫选机而言，优选约50至60磅/平方英寸，对于它用作精选机而言，优选约20至25磅/平方英寸。
对于从盐生杜氏藻中回收类胡萝卜素而言，对于粗选机、扫选机和精选机，喷射速度约为8至25米/秒，对于用作粗选机和扫选机而言，优选约10至20米/秒，对于用作精选机而言，优选约8至15米/秒。
对于Jameson槽而言，有两种设计比例下流管直径与节流孔直径的比例和上流管直径与下流管直径的比例。对于从盐生杜氏藻中回收类胡萝卜素而言，下流管与节流孔的直径比例约为7至13，优选8至10。对于从盐生杜氏藻中提取类胡萝卜素而言，上流管与下流管的直径比例约为2至10，优选大于5。
为省去单独的破裂步骤，在高进给压力条件下，可以运行Jameson槽。在高进给压力下运行Jameson槽可以在管口处破裂水藻，也不需要任何促使水藻易于浮选的机械或化学预处理步骤。高于60磅/平方英寸的进给压力称为高进给压力。通常，Jameson槽在约150至300磅/平方英寸进给压力下运行以用于破裂细胞。
通过在喷嘴处安装一个比通常使用的更小孔的节流孔板，Jameson槽即可在60磅/平方英寸以上的进给压力下运行。但是，高喷射速度通常产生的气泡过细以致于在上流管中不能被分离，造成在底物流178(图8)中有气泡和水藻聚集物被带走。在高进给压力下运行，有必要安装一个发散型喷嘴或导流片以改变喷射流向下的冲量。
喷射流通过下流管顶部节流孔的速度可通过伯努利方程计算。喷射流由三个区组成自由射流、卷射流和混合区。当原料通过节流孔板进入下流管时，原料为自由射流的形式。自由射流在预留空间产生了低压区，并转移气体到达喷射流表面。喷射流撞击液体表面的区域称为卷射流，在此区域气体卷入液体中。在低于液体表面的混合区，喷射流的冲量被散失。形成的高速度梯度打碎卷入的气体，形成细泡。b.多级循环流浮选塔(MSTLFLO)多级循环流浮选塔182见图9所示。MSTLFLO是一个改进的气泡塔，由以下各部分组成喷雾器184，用于将气体导入塔底部；一串安装在塔内的垂直的导流片，引流管186、188和190；分别位于引流管186、188和190顶部的导流片192、194和196，以产生合适的水动力；原料分配器198；与塔同心的收集洗涤机200。MSTLFLO塔已由D.X.He，F.X.Ding，H.Hu和S.H.Chiang在“SeparationsTechnology”1995年第5卷133-188页的题为“A Multiple-loopFlotation Column for Wastewater Treatment”文章中公开。He等人的文章的全部内容作为参考也列入本文。
MSTLFLO塔的主要设计特点是多级引流管的装配。来自管道185的气体喷入塔底的引流管186内，该引流管内产生的气体滞留量比引流管与塔壁之间的环形区202内的气体滞留量更大。气体滞留量的差异形成一个循环模式。气体和液体分散相在引流管内的区域204中向上流动，该区域的功能相当于上流管，且在环形区202中向下流动，该区域的功能相当于下流管。在下流管中的流动接近于多相向下并流的柱塞流。减少了轴向混合的循环流水动力可使气泡的大小分布更均一。相对于不含引流管的常规气泡浮选塔(也称Canadian塔)，MSTLFLO塔的浮选动力明显提高。气泡塔如图10所示。MSTLFLO塔通过卸除引流管可以改装成气泡塔。
MSTLFLO塔的收集区86和分离区88(图5)在同一容器中。该容器的高宽比大于5。虽然不受理论局限，但MSTLFLO塔的收集区可以被认为是每个引流管的下流管和上流管，引流管中为多相并流柱塞流。塔的分离区是位于原料分配器198之上，位于气液交界面以下。
聚集物聚集在泡沫和液体交界面上方的泡沫区并溢流出塔，进入收集洗涤机200。泡沫破裂形成浓缩的水藻悬浮液，其通过管道206回收。不含水藻的盐水底物流从塔底通过管道208排走。
在MSTLFLO塔中，表面气体速度Jg定义为气体容积流速/塔横截面积。随着Jg的增大，在多相分散系中的气体滞留量增大，水藻收集效果提高。但是，随着Jg的增大，由于上升的气泡带着更多的水进入泡沫中，造成泡沫中的气体滞留量降低。当Jg值接近最大时，泡沫中气体滞留量和气液分散系中的气体滞留量相等，造成塔溢流，交界面消失。
对于从盐生杜氏藻中回收类胡萝卜素而言，Jg值约为0.1至1.0厘米/秒，优选0.2至0.5厘米/秒。令人惊奇的是，类胡萝卜素的浮选只需要如此小的Jg值。更令人惊奇的是，水藻中天然的起泡剂具有如此高的浓度并具有使类胡萝卜素易于浮选的表面活性能力，甚至在氯化钠饱和的盐水中和在其它离子存在的条件下，都表现出这样的特点。
液体滞留时间定义为MSTLFLO塔容积/液体原料容积流速。长的滞留时间可以提高泡沫中类胡萝卜素的回收率。短的滞留时间可以提高塔处理量。对于从盐生杜氏藻中回收类胡萝卜素而言，在收集有限的状况下，液体滞留时间约为2至20分钟。在载重量有限的状况下，滞留时间超过20分钟。
在MSTLFLO塔中，使用小的气体原料比的好处包括降低设备容积和压缩气体的成本。对于从盐生杜氏藻中提取类胡萝卜素而言，气体与原料的比例约为0.10至1.5，优选约0.2至0.8。如此小的气体原料比是令人惊奇的，对于类胡萝卜素的浮选是有利的。
在使类胡萝卜的氧化降低至最小的惰性气体条件下，如在二氧化碳、氮气、氦气或稀有气体条件下，采用MSTLFLO塔更有利。与空气相比，二氧化碳的使用可提高浮选动力。
多级引流管的使用可以减少塔内的轴向混合，减少短路循环，提高塔的性能。对于从盐生杜氏藻中回收类胡萝卜素而言，引流管的级数约为1至5，优选超过1级。
对于从盐生杜氏藻中提取类胡萝卜素而言，引流管直径与塔直径的比值约为0.5至0.9，优选约0.5至0.7。
从盐生杜氏藻中浮选类胡萝卜素，可以产生相对稳定的泡沫，则需要横截面积相对较大的洗涤机容纳泡沫。对于从盐生杜氏藻中提取类胡萝卜素而言，洗涤机直径与塔直径的比例为2，该比例通常应该大于1.25。c.Canadian塔Canadian塔，也称为常规塔或气泡塔，如图10所示。气泡塔210的直径通常约为0.5至3.0米，高通常约为9至15米。截面积可以为方形或为圆形。
原料水藻悬浮液通过低于泡沫与液体交界面214约1至2米处的管道212进入塔内，且向下流。气体经管道216进入塔底，通常通过喷雾器218分散成细泡。可以使用惰性气体，如二氧化碳、氮气、氦气或稀有气体，以使类胡萝卜素降解最少。气体，通常是空气，可以直接注入塔底，形成内部喷射(如附图标记218所示)，或在作为外部喷射注入前，首先与水、水藻悬浮液、起泡剂溶液或它们组合的混合物接触。内部喷雾器通常由织物(如布)覆盖的穿孔管制成，或由穿孔橡胶制成。
气体与水藻悬浮液的逆流使得气泡与水藻在收集区86(图5)碰撞，收集区定义为原料分配区222(图10)下方的区域。塔的分离区为高于原料分配区222、低于泡沫与液体交界面的214的区域。聚集物聚集在泡沫和液体交界面上方的泡沫区并溢流出塔，进入收集洗涤机226。泡沫破裂形成浓缩的水藻悬浮液，通过管道228回收。不含水藻的盐水作为料流220从塔L底部流出。
塔可在任何所需的泡沫深度下运行，然而，在实践中泡沫的深度通常为50至100厘米。洗液可以加入到泡沫中(如附图标记224所示)，以从水藻生物量中分离被卷走的亲水微粒。为获得最佳的洗涤效果，塔通常在正偏压下运行，这意味着有一个向下的水的净流通过泡沫。偏压水流通过底物流流出塔。底物流的流速应该大于进料速度，以维持泡沫与液体交界面的高度不变。d.喷气水力旋流器(ASH)根据本发明，对于从盐生杜氏藻中回收类胡萝卜素而言，在ASH单元中，泡沫中水藻重量浓度(不计算气体)约为0.001％至0.3％。ASH由一个通向具有多孔壁的圆柱形高压的切向进料口组成，压缩的气体通过孔壁进入该设备。倾斜的泡沫底座位于旋风器的底部，以致于底物流的横截面积易于变化。各种直径大小的旋涡探测器可用于控制泡沫的输出速率。
原料在旋风器顶部以切线的方式进入ASH设备，然后经过一个螺旋的路径到达底部，再通过环形的底物流开口离开。空气通过的孔壁，产生气泡。水藻和气泡之间的碰撞发生在外螺旋线上，该区域定义为收集区86(图5)。随着液体流向水力旋流器底部，气相与液相以交叉流模式接触。离心力可以使气泡和水藻聚集物与不含水藻的盐水在分离区88(图5)分离，分离区可认为是内螺旋线与外螺旋线之间未定义的区域。气泡和水藻聚集物被运输至泡沫区90(图5)，形成内螺旋线，移至水力旋流器顶部溢出。
ASH设备的Jg定义为通过隔板的气体容积流速/隔板的横截面积。对于从盐生杜氏藻中回收类胡萝卜素而言，Jg值约为0.7至6厘米/秒，优选大于3厘米/秒。
ASH设备的液体滞留时间定义为ASH设备容积/液体容积流速。对于从盐生杜氏藻中回收类胡萝卜素而言，滞留时间约为1至10秒。
对于从盐生杜氏藻中回收类胡萝卜素而言，气体与原料的比例约为0.4至6，优选大于3。e.EKOFLOT气流浮选槽水藻悬浮液80(图5)通过文氏里管被泵送至塔的顶部，文氏里管的功能是作为气泡发生区84(图5)。气体被卷进水藻悬浮液中，形成的混合物通过进料管向下移动，气体与水藻之间的碰撞主要发生在进料管中。进料管担当了收集区86(图5)的功能。通过分配器，含有气泡和水藻聚集物的气液分散系进入分离区88(图5)，分离区在一单独容器中。聚集物浮在泡沫区90(图5)的表面，在泡沫区积累。不含水藻的盐水作为料流92(图5)物流出容器。
泡沫刮扫机，呈倒圆锥形，可以升高或降低，用于改变泡沫面积的大小以达到最佳的分离效果。泡沫可以与洗液接触，以提高产品的纯度。净化的泡沫溢流出容器，进入收集洗涤机，并作为浓缩物离开收集洗涤机。在分离区的滞留时间约为2至3分钟，相似于Jameson槽。但是，在Jameson槽下流管中的滞留时间通常约为5至10秒。在EKOFLOT容器充气装置中的滞留时间是毫秒级的。EKOFLOT槽的充气装置是气泡与水藻发生碰撞的位置，定义为收集区。f.MicrocelTM微泡浮选塔MicrocelTM塔已在美国专利US4,981,582和US5,167,798中公开，所用这些内容作为参考也列入本文。MicrocelTM塔由位于Pittsburgh，Pennsylvania的ICF Kaiser Engineers，Inc.，制造。塔由下列部件组成一个在塔底的充气区域；一个位于充气区域上方的单向板，用于使微泡升入液体之中但阻止固体从沉降物落入充气区域；一个收集区；一个泡沫区。水藻悬浮液进料80(图5)从低于泡沫液体交界面的位置进入塔内，然后向下流。在塔外部通过微泡发生器将气体82(图5)分散于液体中，微泡发生器的功能是作为气泡发生区84(图5)。合适的液体包括水藻悬浮液进料80、底物流92、起泡剂溶液、或它们的组合。通过外部的喷雾器产生微泡，微泡大小为50至400微米。然后，微泡被导入充气区域。
用于产生微泡的液体通过孔口流出不含气泡的充气区域，被回收进入微泡发生器。微泡通过单向板离开充气区域，进入收集区86(图5)，收集区是位于原料分配器下方的、充气区域上方的区域。由于气泡的直径小，在收集区中的流动是基本静止的，从而使得水藻悬浮液与微泡获得有效的逆流接触。不含水藻的盐水通过单向板上的孔口作为底物流流出。气泡和水藻聚集物从收集区上升至泡沫区，在泡沫区积累。洗液可以加入到泡沫中，以从水藻生物室中分离被带走的亲水微粒。富含类胡萝卜素的的泡沫溢流出塔，进入收集洗涤机，并作为浓缩物离开洗涤机。
微泡发生器由许多串联设置的小翅片组成，可使流体的方向经常改变。此设计相似于静态混合器。液体以极其高的速度泵送通过混合器，而所需容积的气体在进入混合器前先进入液体管道。流体的剪切力分散气体形成微泡。通过该技术，可产生含50个体积以上的气体的微泡悬浮液(以体积计算)。g.其它浮选设备除了上文描述的特定的机械和气流浮选设备外，还有许多适用本发明的原理的设备没有提及。这些设备主要在细节上不同，如它们有不同的几何形状或采用不同的气泡和水藻接触方式、相分离方式、或气泡发生方式。
无论选择怎样的吸附泡分离技术、厚层过滤和微量过滤组合，水藻悬浮液应被浓缩至一个最佳浓度，使得提取过程最佳，这取决于许多因素，包括经济因素在内。由于需要提供溶剂与悬浮液接触的大的容器，或由于需要使用大量的溶剂，从低浓度的水藻悬浮液中提取成分是不可行的。厚层过滤、吸附泡分离和微量过滤可分别组合使用，或与其它水藻悬浮液脱水技术组合使用，以获得提取所需的浓度和效益。E.有利的泡沫浮选循环对于回收类胡萝卜素而言，使用吸附泡分离方法的一个目的是产生含有最高浓度的类胡萝卜素的泡沫，尤其是使用泡沫浮选法。在浮选流程中，任何浮选设备均可在任何位置使用。但是，上述的泡沫浮选法在泡沫浓缩类胡萝卜素的能力方面没有必要具有等同的效果。一个用于水藻如盐生杜氏藻脱水的有利的泡沫浮选流程参照图11描述如下。Jameson槽用作粗选机230和一级精选机232。MSTLFLO塔用作二级精选机234，与Jameson槽精选机232串联连接。Jameson槽和MSTLFLO塔可安装在上述的筏、拖车或其它运输工具上，以易于获得水藻原料流。
如图11所示，含盐生杜氏藻的盐水原料流236通过其来源获得。来源包括天然湖泊如犹它州的大盐湖、密集型池塘或粗放型池塘。原料流可通过上述的离心泵如可移动的浮泵获得。原料通过泵238被运送至Jameson槽粗选机230的原料入口240。
在原料进入Jameson槽粗选机前，水藻可在泵循环中破裂或通过上述的其它机理破裂。
泡沫在收集洗涤机248中被收集，接着或者破裂和常规泵送，或者通过泡沫泵250，泵送至贮存槽252，作为富含类胡萝卜素的原料流253用于Jameson槽精选机232。底物流254可被丢弃或返回其来源处，或按上文V.C.概述中描述的内容进行处理。
Jameson槽精选机的富含类胡萝卜素的原料流253被泵送至原料入口256，并在Jameson槽中分离。通常产生比粗选机230更干燥的泡沫。富含类胡萝卜素的液流258被贮存在原料槽260中，用作MSTLFLO塔精选机234的原料。底物流262类似于粗选机的底物流进行处理。
富含类胡萝卜素的原料流264从贮存槽260被泵送至MSTLFLO塔精选机234的原料入口266，然后被分离，如上所述。又产生干燥的进一步富集类胡萝卜素的泡沫，收集泡沫，贮存于贮存槽268，再进一步处理。进一步的处理包括微量过滤以进一步使水藻脱水，或采用下面描述的任何一种方法进行提取。
如图11所示，紧接在上述的微量过滤器270后面的是高密度气体提取单元272。与泡沫浮选流程中的类胡萝卜素的浓度相比，微量过滤使得类胡萝卜素的浓度呈数量级增加，在残留液274中可达到约20,000ppm，适于高密度气体的提取。渗透液276是废盐水溶液，根据废盐水中含有化学添加剂(即使有也很少)的情况，丢弃或返回原湖泊或池塘。
残留液274作为原料流被泵送至高密度气体提取设备272。高密度气体，在本案中为二氧化碳，以与原料流相反流动的方向加入，这部分内容为本领域技术人员所公知，也将在下文与高密度气体提取相关的内容中进一步描述。高密度气体提取设备的底物流278是剩余液，是不含类胡萝卜素的废液，可被丢弃或按下文VI中类胡萝卜素提取后再提取其它细胞物质的内容进一步处理。
高密度气体提取设备的提取物280溢流出塔，膨胀进入分离器282以从高密度气体中分离混合类胡萝卜素。混合类胡萝卜素作为底物流284流出分离器。高密度气体286从分离器顶部流出分离器，通过压缩机被回收到高密度气体提取设备的底部。混合类胡萝卜素可按下述回收特定类胡萝卜素的方法进一步处理。VI.从浓缩的水藻悬浮液中回收所选择的成分见图1的步骤30和32，通过使用各种溶剂的提取方法，类胡萝卜素可从浓缩的水藻悬浮液中被回收。提取方法可选自液/液提取；固/液提取，也称为浸析法；液/液/固提取，是一种三相提取，其中不相溶的两相在固体物质中形成以及上述的高密度气体提取。
在大于约100ppm的浓度条件下，任何与水不相溶的有机溶剂均可用于从盐生杜氏藻盐水悬浮液中提取类胡萝卜素。有机溶剂应该至少不会不利地改变类胡萝卜素的物理和化学特性。只要产生两个或多个不相溶的相体系，溶剂可选自合成或天然的香料、食用油、石油化学溶剂、高密度气体以及它们的组合。由于下述的各种原因，在这些溶剂中，有些溶剂比其它溶剂更可行，但是，不必要产生相同的效果。
石油化学溶剂通常粘度低，且溶质分子扩散能力强。类胡萝卜素通常在石油化学溶剂中溶解度较高，进行浓缩提取是可行的。石油化学溶剂包括脂族烃类，如己烷、戊烷、辛烷、石油醚、环己烷、二氯甲烷、甲醇、乙醇以及其它低沸点的醇；芳香烃类如苯和甲苯；以及许多其它未列出的石油化学溶剂。如果需要，也可组合使用石油化学溶剂。
然而，应该认识到，对于用作营养添加剂的类胡萝卜素的提取而言，石油化学溶剂通常被认为是不合乎需要的溶剂。虽然至少在某种程度上，溶剂残留物可通过色谱法被除去。但是，对于许多人来讲，石油衍生化合物用于加工营养添加剂和在营养添加剂中有任何的石油残留物都是不令人满意的。
从营养学的角度，食用油比石油化学溶剂优选。食用油来源于动植物，如鱼油。食用植物油溶剂包括玉米油、橄榄油、大豆油、红花油、向日葵油和许多其它油。如果需要，也可组合使用食用油。
然而，与石油化学溶剂相比，食用油通常粘度更高，且溶质分子扩散能力更低。类胡萝卜素通常在食用油中的溶解度有限，没有改变类胡萝卜素的物理和化学性质的步骤，如采用过热步骤，则很难获得浓缩的提取物。
合成和天然的香料通常比石油化学溶剂和食用油更合乎需要。天然的香料更适于营养添加剂的提取。从营养添加剂的角度，被Flavorand Extract Maufacturers Association，或FEMA划分为“通常认为安全”级，或GRAS级的香料没有石油化学溶剂的缺点。与石油化学溶剂相比，在营养添加剂中残留香料溶剂通常是可以接受的，且减少了后续的纯化和回收成本。可选择使用在沸点、粘度和分子扩散性能方面与石油化学溶剂相似的香料。
本发明中合适的香料包括羧酸甲基-、乙基-、丙基-、丁基-、异丁基-、苯基-和辛基-酯类，如乙酸酯、ethanoate、丙酸酯、丁酸酯、己酸酯、辛酸酯、庚酸酯、辛酸酯、癸酸酯、肉桂酸酯和异戊酸酯。其它的香料例子包括但不仅限于苯甲醛、其它甲醛类、柠檬油精和其它萜类。如果需要，也可组合使用香料。
图12所示的方法流程是一个典型的提取步骤。在起始的溶剂提取步骤300中，浓缩的水藻悬浮液与溶剂接触。类胡萝卜素从盐水中转移入第二流体相，即提取相或溶剂相。如步骤302所述的提取过程，形成两相和废液层。在粗提取相和剩余液相之间形成水藻残留物的废液层，其中粗提取相中含有类胡萝卜素和溶剂，剩余液相主要为盐水和痕量的类胡萝卜素。水藻残留物通常含有叶绿素、甘油、磷脂和蛋白质，可以丢弃，也可根据步骤310，进一步加工以回收这些成分。
提取可以分批进行，也可连续进行。分批的提取过程被证明是可行的。有机相和水相充分搅动，基本上使所有的类胡萝卜素都被提取进入有机相中。停止搅动。分散系静置，形成三个不同区域剩余液层、提取液层和废液层。通过仔细地倾析分离这些液层，以按下面的步骤进一步加工。
用于连续提取的各种提取设备包括单级、多级混合机和沉降器；离心抽提器如由位于Pittsfield，Massachusetts的Robatel制造的产品和由Baker Perkins of Saginaw，Michigan制造的Podbelniak；提取塔如Karr塔、York-Scheibel塔和转盘塔，均由位于Parasippany，New York的Glitsch Technology Corporation制造，由位于Allschwil，Switzerland的Kuhni制造的Kuhni塔，和填充孔板塔。
连续提取方法采用重力沉降法。在离心力场或重力场下，可以进行相分离，重力沉降的成本较低。促凝剂通常被加入其中，以帮助倾析。根据水生养殖的类型，在回收入生物反应器或返回池塘前，剩余液可进一步被凝结以回收可能被带入的任何附加溶剂。促凝剂、液/液/固离心、浮选槽和液/液旋风分离器也可用于从盐水中回收溶剂，盐水也可返回浮选设备进行净化。
该提取方法可用于从盐水中提取类胡萝卜素，盐水可以是根据现有的浓缩步骤，如上述的浓缩步骤浓缩后的，也可是未处理过的，从未处理过的盐水中提取的方法，即是采收方法。在后一种情况中，从倾析器中回收溶剂可增加混合器中溶剂与原料的比例。
如果需要，水相可进行预处理以使得有机相中所含的叶绿素最少。在提取前，含有生物量的水相可进行碱处理，如NaOH，以皂化叶绿素，阻止其与类胡萝卜素一起被提取进入有机相。另外，也可将含有生物量的水相酸化，以阻止叶绿素被提取进入有机相。
在一个或多个脱水步骤之前，溶剂在水藻悬浮液中被分散。在这种情况下，溶剂被预分散且原料被预处理后再进行提取。例如，在最初的吸附泡分离前，溶剂可在水藻悬浮液中被预分散。A.成分的纯化和分离类胡萝卜素的粗提取物按上述方法与废液层和剩余液分离。富含类胡萝卜素的粗提取物以及富含甘油和蛋白质的废液层均可进行处理，以回收制备并纯化有价值的成分。可回收的化合物包括所有-反式β-胡萝卜素、9-顺式β-胡萝卜素、α-胡萝卜素、玉米黄质、隐黄质、叶黄素、甘油、蛋白质和其它成分。粗提取物纯化的各种技术是本领域技术人员所公知的。
根据步骤312，通过一个或多个技术，如通过闪蒸、蒸馏、刮膜蒸发、短路蒸馏和分子蒸馏等蒸发溶剂，粗提取物可被进一步浓缩。选择适合的溶剂，可以使得该浓缩步骤在低温下进行，类胡萝卜素将不被降解或重新异构化。优选的粗提取物的加工方法取决于所需获得的产品。
可直接从浓缩步骤312中收集类胡萝卜素作为固体相，也可根据浓缩步骤314，通过溶剂交换方法将类胡萝卜素重新分散于食用油中。混合的类胡萝卜素产品根据需要按步骤316纯化。在蒸发前，可在提取之前也可在提取之后，食用油与香料混合，使得所希望量的香料被蒸发，留下类胡萝卜素于食用油中。食用油可以是动物油或混合植物油，如橄榄油、canola油、花生油、大豆油、红花油、向日葵油、棕榈油、玉米油及其混合物。通过该方法，基本上可以不需要昂贵的食用油分子蒸馏步骤，分子蒸馏步骤主要用于进一步浓缩类胡萝卜素悬浮液。B.β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素混合类胡萝卜素的食用油悬浮液可作为人体的营养添加剂、食品着色剂和食品强化剂在市场上销售。另外，各种类胡萝卜素的不同浓度比例的产品可以通过随后的分离步骤生产，见下文的描述。粗提取物可通过色谱法进行纯化，从其馏份结晶可回收类胡萝卜素和溶剂。其它的处理包括结晶、超临界流体色谱法、反相色谱法、和高效液相色谱法(HPLC)。
许多产品可通过这些单元处理得到。超临界流体色谱法分离所有反式α-胡萝卜素、α-胡萝卜素顺式异构体、所有反式β-胡萝卜素、β-胡萝卜素顺式异构体。反相色谱法可用于分离叶黄素、玉米黄质、β-隐黄质、海胆酮、番茄红素、α-胡萝卜素和β-胡萝卜素。HPLC可用于分离β-胡萝卜素、海胆酮、角黄素、岩藻黄质、虾红素、13-15-二-顺式-β-胡萝卜素、15-顺式-β-胡萝卜素、β-胡萝卜素、9-顺式-β-胡萝卜素和13-顺式-β-胡萝卜素。HPLC与超临界流体色谱法组合使用可用于分离13-13’-二-顺式-β-胡萝卜素、9，13，13’-三-顺式-β-胡萝卜素、9-13’-二-顺式-β-胡萝卜素、15-顺式-β-胡萝卜素、9-13-二-顺式-β-胡萝卜素、13-顺式-β-胡萝卜素、9-9’-二-顺式-β-胡萝卜素、所有反式β-胡萝卜素和9-顺式-β-胡萝卜素。
高纯度的β-胡萝卜素提取物由至少40％(重量)的9-顺式异构体和少于50％(重量)的各种反式异构体组成，其可通过在活化的氧化铝柱分离异构体来制备。富含9-顺式-β-胡萝卜素的提取物由至少75％(重量)的9-顺式异构体组成，可通过将所有的反式异构体在非极性溶剂中结晶来制备。高纯度的β-胡萝卜素提取物可通过从粗提取物中去除溶剂，并再将类胡萝卜素在最少量的非极性溶剂中悬浮来进行制备。该溶剂选自乙烷、己烷、戊烷、辛烷和石油醚。然后，将非极性提取物通过活化的氧化柱并塔收集馏份。首先将含有橙色/红色类胡萝卜素主谱带(main band)的馏份进行稀释，收集馏份，在真空下蒸发溶剂，即获得高纯度的天然的β-胡萝卜素产品，通常由50％的各种反式、40％9-顺式、3％其它β-胡萝卜素异构体、5％α-胡萝卜素和2％其它类胡萝卜素组成。将β-胡萝卜素馏份之后的淡黄色类胡萝卜素稀释，仍包含一些β-胡萝卜素。
定期洗涤塔，以除去没有被稀释的任何极性类胡萝卜素、脂类和叶绿素。高纯度的天然9-顺式-β-胡萝卜素通过下列步骤获得将高纯度的天然β-胡萝卜素溶解在最少量的非极性溶剂中，升温至40-50℃溶解β-胡萝卜素，冷却溶剂至-20℃以优先结晶所有的反式异构体，分离固相和液相。结晶的步骤可以重复进行，以提高晶体和上层溶液的纯度。蒸发去除上层溶液中的溶剂，获得富含9-顺式异构体的制备物，其浓度至少为75％(重量)。C.产品和应用通过本发明的方法获得的β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素可制备成任何类型的产品供销售。喷雾干燥的盐生杜氏藻粉可加入动物饲料中。产品可以是各种浓度的类胡萝卜素油悬浮液、类胡萝卜素微胶囊、可水分散的天然混合类胡萝卜素粉。β-胡萝卜素也可被纯化和以富含9-顺式异构体或富含所有反式异构体的形式销售。其它通过本发明方法获得的类胡萝卜素也可被纯化和以产品的形式销售。D.甘油、蛋白质和其它成分水藻残留物可被丢弃或根据步骤310进一步加工，以回收水藻中其它有价值的成分，如甘油、叶绿素和蛋白质。
废液层可与乙醇接触，回收甘油。然后蒸发乙醇，获得的甘油残留物可通过蒸馏进行纯化。甘油可被提取、脱色和蒸馏，以获得实用的产品供销售。甘油提取后，剩余的细胞物质富含蛋白质，干燥后，获得水藻蛋白，可用作动物饲料。细胞物质在干燥前，可用水洗涤，以除去残留的盐分。VII.实施例下面的实施例举例说明了本发明的几部分内容，但不限定本发明。根据实施例所指向的本发明特定的内容，实施例的结构通过小标题来组织。但是，应该认识到，在特定标题下的一个实施例可解释说明本发明的几部分内容。这些标题不应该被认为是不同的标题下实施例所独占。A.在泵循环中细胞破裂根据图2，如下所述，压降的大小和通过压降的盐生杜氏藻的数量可以评价盐生杜氏藻的破裂程度。含有盐生杜氏藻的盐水通过泵38从大盐湖中池塘34运送至Jameson槽36，其中泵为Grundfos SeriesC多级离心泵CR30-80U。盐水在泵回路中反复循环，以破裂水藻。旁流46限定了循环流量。泄流管道48用于泄放盐水返回池塘中。旁流流量和泄流流量分别通过阀门50和52进行控制。根据需要，所需的泵循环中的回收百分率可通过流速的改变来提供。通过节流阀42，压降可以调至所需的值。
在每一排放压力下，通过管道40的总泵排放流速Q1按下述方法进行测定关闭阀门50，测量通过管道48的泄流速Q4和Jameson槽在44处的进料速度Q5。泄流流速可以通过测量装满容量为55加仑的桶所需的时间来确定。Jameson槽的进料流速可以通过下面的方程计算υ=2Δpρ]]>Q5=C0πd024υ]]>其中υ是节流孔速度，Δp是在压力检测计54处测定的进料压力的近似值，ρ是液体密度，C0是节流孔系数，为0.61，d0是节流孔直径，为0.3125英寸。
在特定的排放压力下，总泵排放流速Q1根据质量守恒进行计算。当阀门50被关闭的时候，旁流量为零，下面的方程成立。
Q1＝Q4+Q5阀门50打开以使盐水在泵回路中循环时，旁流流速根据下面的方程计算Q2＝Q1-(Q4+Q5)其中Q4和Q5采用上述的方法进行测量，Q2是通过管道46的流速。
泵循环回收百分率R通过下式计算R＝(Q2/Q5)·100％通过节流阀42形成的压降(Δp)，促进了细胞的破裂，可通过下式计算ΔPt＝p1-p2其中p1和p2分别是压力指示计56和58所测得的压力值。
本方法中，水藻破裂百分率可通过细胞计数计算。测量泵入管道60的原料流的每毫升活细胞数Q0和Jameson槽的底物流50的每毫升活细胞数Q7。水藻破裂百分数F通过下式计算F＝(1-CCt/CCf)·100％其中CCt和CCf分别是原料流和Jameson槽底物试样中的细胞数。细胞数是指每毫升盐水中所有的细胞数目。B.厚层过滤在组织打碎机中混合盐水悬浮液30秒，盐生杜氏藻细胞得以破裂。将1升已破裂的盐生杜氏藻悬浮盐水液通过填充有过滤介质的塔进行过滤。塔的内径为30毫米，长为80毫米。各种过滤介质如表1所示。
表1 使用的过滤介质类型
过滤结束后，介质用蒸馏水洗涤以回收细胞物质。该水用溶剂提取，所得溶液进行类胡萝卜素分析。然后介质再用溶剂洗涤，所得溶液也进行类胡萝卜素分析。过滤前的原料流和滤液也取样分析类胡萝卜素，以测量滞留在介质中的类胡萝卜素百分率。实施例1-7的结果列于表2。
表2 厚层过滤的结果
采用厚层过滤进行水藻脱水时，破裂细胞对此过程的影响将在下面的实施例中说明。除在过滤前细胞不进行破裂之外，其它步骤与实施例1-7描述的步骤相同。厚层采用粒径0.25至0.35毫米的石英砂作为过滤介质。盐水在过滤前进行以下处理将水藻悬浮液与TRITONX-100非离子表面活性剂在不含空气的Denver D-12机械浮选槽中混合1分钟。表面活性剂体积浓度为25ppm。根据类胡萝卜素浓度得出水藻的回收率为25％。C.微量过滤微量过滤的设备如图3所示。将来源于泡沫浮选槽的水藻浓缩液加入原料槽62中，再通过泵64(7.5马力，102安培，460伏特下运行)被泵送至交叉流微量过滤器66。交叉流微量过滤器含有额定孔径1.4微米、表面积2.15平方英寸的氧化锆膜。该膜由位于Whittier，California的U.S.Filter提供。微量过滤单元横截面为六边形，具有19个液流通道。每个通道直径4毫米，长80厘米。热交换器68用于在进入过滤器前冷却原料流。通过膜的压降由压力指示计74和76测量。
滞留液70返回原料槽，以返回过滤器。丢弃滤液69。在不同时间下，记录滤液的质量。流通量N根据下式计算N=M2-M1A(t5-t1)]]>其中A是滤器的可流通液体的横截面积，M2和M1分别是时间t2和t1时滤液量。原料的流速根据流量计78测出。温度用温度计测量。采集滞留物和滤液试样，分析类胡萝卜素。
悬浮液连续过滤6小时。回收约150磅的滤液。流通量与时间的曲线如图4所示。观察到交叉流微量过滤的初流出物之后，在整个运转过程中，在压降没有明显增加下，流通量基本保持115kg/hr/m2不变。该结果令人惊讶，原以为破裂后的水藻具有凝胶的特性，会很快堵塞滤膜。更令人惊讶的是，在滤液中没有检测到类胡萝卜素。由于类胡萝卜素的粒径很小，小于0.1微米，原以为会有明显的类胡萝卜素损失。
渗滤用于减少滞留液中的盐浓度。清水加入到原料槽62中。根据最终滞留液的盐浓度，决定是否需要增加过滤和水稀释的步骤。在6小时的过滤结束后，用等量的清水稀释滞留液，且过滤13分钟，使得体积与原体积相同。13分钟过滤后，再加入等量的清水稀释，进行第二次渗滤，过滤13分钟，使得体积与原体积相同。这些渗滤试验测量的流通量如图4所示。D.泡沫浮选1.机械泡沫浮选含有盐生杜氏藻悬浮液的盐水装入Denver D-12小型泡沫浮选设备。泡沫浮选设备经设计可以通过叶轮的速度吸入适量的空气。使用带有8片叶的直径为2.75英寸的叶轮。除实施例20外，其余的实施例均采用2000g的混合槽，实施例20采用4000g的混合槽。不同时间下采集液体试样，测量浮选动力学和盐水中类胡萝卜素的回收率。每一次运转结束后，收集浓缩的泡沫，通过UV-VIS光谱仪在456nm波长下测定类胡萝卜素。
试验的变量包括叶轮转速、气体流速、槽容积、盐水中初始类胡萝卜素浓度、和表面活性剂用量。气体流速根据搅拌轴压缩空气的量而变化。根据未破裂的水藻、已破裂的水藻、和先前的浮选中的浓缩泡沫测定回收率。实施例8-10盐生杜氏藻细胞在组织破碎机中混合30秒进行破裂。含有破裂细胞的2000毫升悬浮盐液装入浮选槽，混合10至20分钟。10分钟后的类胡萝卜素回收率总结于表3。表3已破裂的水藻经10分钟浮选后叶轮转速对类胡萝卜素回收率的影响
实施例11-16含有盐生杜氏藻悬浮液的2000毫升盐水装入浮选槽，混合35分钟。10分钟后的类胡萝卜素回收率总结于表4。表4已破裂的水藻经10分钟浮选后叶轮转度对类胡萝卜素回收率的影响
实施例17-20含有盐生杜氏藻悬浮液的盐水装入浮选槽，在1500rpm转速下混合35分钟。槽容积对类胡萝卜素回收率的影响总结于表5。表5 10分钟后槽容积对盐生杜氏藻中类胡萝卜素回收率的影响
实施例21-25含有盐生杜氏藻悬浮液的2000毫升盐水装入浮选槽，混合10分钟。10分钟后气体流量对类胡萝卜素回收率的影响总结于表6。表6气体流量和叶轮转速对未破裂的盐生杜氏藻中类胡萝卜素回收率的影响
实施例26、27和282000毫升含有低、中、高浓度盐生杜氏藻的盐水分别装入浮选槽，混合10分钟。细胞浓度对类胡萝卜素回收率的影响总结于表7。
表7 10分钟后类胡萝卜素浓度对类胡萝卜素回收率的影响
实施例29和302000毫升含有盐生杜氏藻的悬浮盐液装入浮选槽。Triton X-100加入到盐水中，溶液在1500rpm转速，无空气条件下混合1分钟。然后打开空气阀门，悬浮液和空气混合20分钟。10分钟后测量类胡萝卜素回收率，结果总结于表8。
表8 10分钟后表面活性剂浓度对类胡萝卜素回收率的影响
实施例31和322000毫升来源于浮选槽的浓缩泡沫再装入浮选槽，混合35分钟。10分钟后测量类胡萝卜素回收率，结果总结于表9。表9 10分钟后叶轮转速对来自前一浮选的浓缩泡沫中类胡萝卜素回收率的影响
实施例33Denver DR-8四槽机械浮选设备每一槽中的转子和定子结构上，均装备有8片平叶片的Rushton涡轮转子。该单元连续进给浓度为7克/毫升的水藻悬浮液。槽直径与叶轮直径的比例为2.1。槽高度与槽直径的比例为0.84。转子的浸没深度与液体深度的比例为0.75。所有的4个叶轮，其叶轮末端速度均恒定在1790英寸/分钟。液体滞留时间为11分钟。Jg值为4.0厘米/秒。气体与原料的比例为16.4。泡沫中固体的百分率为0.02％(不计算气体)。类胡萝卜素回收率为78％。2.气流泡沫浮选a.Jameson槽含有盐生杜氏悬浮液的悬浮盐液装入机械预处理设备中处理，以破裂细胞，然后在Jameson槽中进行处理。Jameson槽的下流管直径与节流孔直径的比例为8.6，上流管直径和下流管直径L比例为5。槽的Jg值为0.44厘米/秒。喷射速度为21.5米/秒。下流管表面速度为0.20米/秒。下流管液体滞留时间为15.1秒。空气与原料的比例为0.52。这个过程的类胡萝卜素回收率平均为58.8％。泡沫中固体的百分率为0.02％(不计算气体)。实施例35实施例34描述的试验中产生的泡沫被收集，用具有实施例34描述的几何形状的Jameson槽处理，以进一步浓缩类胡萝卜素。槽的Jg值为0.27厘米/秒。喷射速度为10.6米/秒。下流管表面速度为0.13米/秒。下流管液体滞留时间为23.2秒。空气与原料的比例为0.49。这个过程的类胡萝卜素回收率平均为89.7％。泡沫中固体的百分率为0.5％(不计算气体)。实施例36含有盐生杜氏藻悬浮液的盐水，在不进行任何机械或化学预处理情况下，用具有实施例34描述的几何形状的Jameson槽处理。槽的Jg值为0.65厘米/秒。喷射速度为46.1米/秒。下流管表面速度为0.175米/秒。下流管液体滞留时间为17.5秒。空气与原料的比例为0.88。这个过程的类胡萝卜素回收率平均为52.8％。泡沫中固体的百分率为0.02％(不计算气体)。实施例37实施例34描述的试验中产生的泡沫被收集，用具有实施例34描述的几何形状的Jameson槽处理，以进一步浓缩类胡萝卜素。槽的Jg值为0.29厘米/秒。喷射速度为11.9米/秒。下流管表面速度为0.14米/秒。下流管液体滞留时间为21.7秒。进给压力为22磅/平方英寸。空气与原料的比例为0.49。这个过程的类胡萝卜素回收率平均为68％。泡沫中固体的百分率为8.3％(不计算气体)。实施例38含有盐生杜氏藻悬浮液的盐水用泡沫浮选设备进行处理。泡沫基本上破裂，连续地以65升/分钟的流速进入具有实施例34描述的几何形状的Jameson槽内。进入槽的气体流速为1.1标准立方英尺/分(SCFM)。运行1小时，泡沫中类胡萝卜素的回收率平均为89.7％。实施例39含有盐生杜氏藻悬浮液的盐水用泡沫浮选设备进行处理。收集底物流，连续地以62升/分钟的流速进入具有实施例34描述的几何形状的Jameson槽内。进入槽的气体流速为1.7标准立方英尺/分(SCFM)。泡沫中类胡萝卜素的回收率平均为79％。b.多级循环流泡沫浮选塔(MSTLFLO)MSTLFLO塔用于下面的实施例40至47，其直径为4英寸、高为125英寸、装有3条引流管。引流管的高宽比为12.2。引流管直径与塔直径的比例为2。洗涤槽直径与塔直径的比例为2。不加起泡剂。盐水的pH值为6-7。烧结金属喷雾器用于喷射空气进入塔内。喷雾器的直径为1英寸、长6英寸、孔径10微米。喷雾器安装在最下面一个引流管的底部。原料分配器安装在引流管顶部6英寸处。实施例40MSTLFLO塔内装满含类胡萝卜素的盐水。空气流速和原料流速分别为1.5SCFH和3.4升/分钟，使得空气与原料的比例为0.21。塔以连续的方式运行，原料、泡沫和底物流试样以5分钟的间隔采集。Jg值为0.15厘米/秒。液体滞留时间为5.2分钟。泡沫中固体的百分率约为6％(不计算气体)。类胡萝卜素的回收率为78％。实施例41MSTLFLO塔内装满含类胡萝卜素的盐水。空气流速和原料流速分别为1.5SCFH和6升/分钟，使得空气与原料的比例为0.12。塔以连续的方式运行，原料、泡沫和底物流试样在5分钟间隙时采集。Jg值为0.15厘米/秒。液体滞留时间为3.2分钟。泡沫中固体的百分率约为17％(不计算气体)。类胡萝卜素的回收率为76％。实施例42MSTLFLO塔内装满含类胡萝卜素的盐水。空气流速为3SCFH。塔以分批处理的方式运行，原料、泡沫和底物流试样在完成一次浮选(20分钟)时采集。Jg值为0.29厘米/秒。泡沫中固体的百分率约为11％(不计算气体)。类胡萝卜素的回收率为83％。实施例43实施例41所述的MSTLFLO塔内装入含盐生杜氏藻的盐水。该盐水为先前浮选设备处理过。进入塔内的气体流速为3-4SCFH。25分钟后，泡沫中类胡萝卜素的回收率为87％以上。实施例44含有盐生杜氏藻悬浮液的盐水用泡沫浮选设备进行处理。泡沫基本上破裂，连续地以2升/分钟的流速进入实施例41所述的MSTLFLO塔顶。空气从塔的底部喷射进入，流速为2SCFM。塔连续运行30分钟以上。泡沫中类胡萝卜素的回收率平均为81.5％。实施例45与实施例41相似的试验中，盐水以3.25升/分钟的流速进入MSTLFLO塔内。塔运行30分钟以上，泡沫中类胡萝卜素的回收率平均为86.3％。实施例46与实施例45相似的试验中，盐水以1.14升/分钟的流速进入MSTLFLO塔内。塔运行30分钟以上，泡沫中类胡萝卜素的回收率平均为84.9％。实施例47与实施例41相似的试验中，盐水以0.69升/分钟的流速进入MSTLFLO塔内。塔运行45分钟以上，泡沫中类胡萝卜素的回收率平均为81.1％。c.Canadian塔上述MSTLFLO塔在卸除了所有引流管后运行。不加入起泡剂。盐水的pH值为6-7。使用相同的喷雾器。原料分配器安装在泡沫溢流堰下方36英寸处。实施例48气泡塔装满含有类胡萝卜素的盐水。空气流速和原料流速分别为5SCFH和5.8升/分钟，使得空气与原料的比例为0.41。塔以连续的方式运行，原料、泡沫、和底物流试样在5分钟间隙时采集。Jg值为0.49厘米/秒。液体滞留时间为3.1分钟。泡沫中固体的百分率约为0.7％(不计算气体)。类胡萝卜素的回收率为65％。实施例49含有盐生杜氏藻悬浮液的盐水用泡沫浮选设备进行处理。泡沫基本上破裂后，加入到直径为4英寸的气泡塔内。空气从塔的底部通过喷雾器以20 SCFM的流速进入塔内。浮选12分钟后，泡沫中类胡萝卜素的回收率90％。d.喷气水力旋流器(ASH)实施例50在原料流以给定值开始加入之前，气体开始以所需的流速流入喷气水力旋流器。ASH单元由塑料外壳和直径2英寸、长约18英寸的聚乙烯膜组成，聚乙烯膜的孔径平均为20微米。膜施加压侧的气体压力维持在15-10磅/平方英寸。不添加表面活性物质促进浮选。采集原料、泡沫、和底物流试样评估ASH性能。Jg值为5.9厘米/秒。气体与原料比例为5.8。液体滞留时间为1.3秒。泡沫中固体的百分率约为0.09％(不计算气体)。类胡萝卜素的回收率为68％。实施例51至54整理实施例50LASH单元的数据以确定从已破裂的水藻中提取类胡萝卜素的回收率和浓度。结果总结于表10。压缩空气通过旋液器的孔壁。原料装入旋液器的顶部。富集类胡萝卜素的泡沫溢流流出，而不含水藻的盐水作为底物流出。
表10 ASH中类胡萝卜素的回收率和浓度
E.有价值成分的提取1.溶剂分布系数对于从盐生杜氏藻中提取的类胡萝卜素而言，在25℃下测量其在盐水与各种溶剂之间的分布系数，以选择合适的溶剂用于提取步骤。3毫升溶剂与12毫升水藻浓缩液加入25毫升的试管中。在倾析和取样前，充分摇混试管以完成物质的转移。结果总结于表11。分布系数定义为有机相中类胡萝卜素浓度/水相中类胡萝卜素浓度。
表11 25℃下，类胡萝卜素在盐水与几种有机溶剂之间的分布系数<
>2.液体提取含有盐生杜氏藻悬浮液的盐水装入浮选槽，混合10分钟。收集浓缩的泡沫，在浮选槽中与空气混合10分钟。2000毫升经两次浓缩的含类胡萝卜素的泡沫与400毫升溶剂一起装入3升的混合器中，混合器的几何尺寸如表12所列。
表12用于物质转移动力学测试的混合容器和叶轮的规格<
>混合物在600rpm转速下搅动20分钟。定时采集盐水样品测量物质转移动力学。20分钟后，停止混合器记录相分离时间。倾去油相，盐水相返回混合器。400毫升新鲜溶剂加入提取器中，多相混合物在600rpm转速下搅动20分钟。再次相分离20分钟。两次提取阶段的溶剂相均再静置4小时，以减少胶状水藻残留物体积。离心固体相以从水藻残留物中分离溶剂和盐水相。从类胡萝卜素提取物中蒸发去除溶剂，加入橄榄油，形成类胡萝卜素橄榄油悬浮液。提取和相分离数据在下面的实施例中提供。实施例65利用庚烷从浓缩的泡沫中提取类胡萝卜素。
总的提取步骤如上所述。2530克浓缩的泡沫和280克庚烷加入混合器中。回收率数据总结于表13。表13利用庚烷从盐生杜氏藻中提取类胡萝卜素的混合器/沉降器动力学
实施例66利用柠檬油精从浓缩的泡沫中提取类胡萝卜素。
总的提取步骤如上所述。2516克浓缩的泡沫和343克柠檬油精加入混合器中。回收率数据总结于表14。表14利用柠檬油精从盐生杜氏藻中提取类胡萝卜素的混合器/沉降器动力学
实施例67利用丁酸乙酯从浓缩的泡沫中提取类胡萝卜素。
总的提取步骤如上所述。2499克浓缩的泡沫和353克乙酸丁酯加入混合器中。回收率数据总结于表15。叶轮转速为800rpm。表15利用丁酸乙酯从盐生杜氏藻中提取类胡萝卜素的混合器/沉降器动力学
实施例68利用橄榄油从浓缩的泡沫中提取类胡萝卜素。
总的提取步骤如上所述。1845克浓缩的泡沫和280克橄榄油加入混合器中。10分钟后，泡沫中类胡萝卜素的回收率为77％。实施例69剩余液净化。
将来自第二提取阶段的2000毫升剩余液加入浮选槽中，在2000rpm转速下混合20分钟。16分钟后，泡沫中类胡萝卜素的回收率为82％。实施例70剩余液净化。
饱和NaCl盐水与溶剂接触，在25℃达到平衡。测量饱和盐水中溶剂的浓度。将活性炭加入溶液中，混合浆液直至平衡。碳从浆液中沉降，采集盐水样品，测量溶剂浓度。结果列于表16。表16碳层吸附前后饱和NaCl盐水中溶剂的浓度(盐水中溶剂浓度测量的极限值为5ppb)
3.液体提取质量转移动力学质量转移动力学主要在3升的圆柱形容器中进行测量，容器的几何形状已总结于表12。叶轮安装在容器中央。根据时间不同，收集液/液分散系的样品，测量水相中类胡萝卜素的浓度。该研究的结果总结于表17。表17叶轮转速和溶剂与原料比例对液提取体中类胡萝卜素回收率的影响
4.用柠檬油精连续提取类胡萝卜素实施例81含有盐生杜氏藻悬浮液的盐水以10加仑/分钟的流速加入Denver#5水处理浮选槽内，其体积约为100加仑。从浮选槽中回收浓缩的泡沫，与柠檬油精一同加入到3升的混合器内。混合器和叶轮的几何特性与表12所列数据相同，叶轮转速为600rpm。混合器的流出物通过一个打破胶状的水藻残留物的管道滤网被泵至倾析器。倾析器装备有直径4英寸、长12英寸的凝结器垫，来源于Parasippany，New York的Otto York。溶剂相溢流出倾析器，进入中间槽，再泵入闪蒸蒸发罐。该单元运行前，于闪蒸蒸发罐内加入橄榄油。从闪蒸蒸发罐内蒸发去除溶剂，类胡萝卜素以其在橄榄油中的悬浮液形式回收。蒸发的溶剂被冷凝，返回混合器。提取的回收率列于表18。在该过程泡沫浮选槽中的回收率平均为60％。
表18用柠檬油精从盐水中连续提取类胡萝卜素的效果
上述发明已经描述了特别优选的实施方案。但是，前面的描述将不限定本发明于具体的实施方案，且本领域技术人员应该认识到，根据前面的描述，可以在本发明的宗旨和范围内进行各种变化。在权利要求书定义的本发明范围内，本发明包括所有的替换、修饰、和等同物。
权利要求
1.一种微藻水悬浮液脱水的方法，包含以下步骤(a)从水藻来源获得水藻水悬浮液；(b)破裂水藻细胞；(c)将水悬浮液通入泡沫浮选塔，通过重力作用在塔内向下流动；(d)产生细的气泡，与水悬浮液形成净的逆流，以与水悬浮液紧密接触；(e)气泡吸附水藻细胞形成气泡水藻聚集物；和(f)形成气泡水藻聚集物的泡沫。
2.权利要求1所述的方法，其中产生细的气泡的步骤(d)包含喷射气体进入塔内。
3.权利要求1所述的方法，其中产生细的气泡的步骤(d)在塔外部完成，将气泡导入塔内。
4.权利要求1所述的方法，还包含在塔内循环回路中循环水悬浮液的步骤，促进细泡与水藻细胞的紧密接触。
5.权利要求1所述的方法，其中塔包括至少一个由垂直导流片限定的循环流区域，导流片将塔分为上流管和下流管，其中气体与液体在上流管中向上并流，在下流管中向下并流，以促进紧密接触。
6.权利要求5所述的方法，其中塔包括多级循环流区域，区域之间通过导流片分隔。
7.权利要求6所述的方法，在循环流区域上方的导流片区域中还包含以下步骤1)改变气流流向使其向上流动，因此，使通过下流管区的气体最少，和2)改变液流流向使其向下流动进入下流管区，其中相邻两个循环流区域的液体交流基本可以避免。
8.权利要求5所述的方法，其中垂直的导流片由安装在塔中央的引流管组成。
9.权利要求1所述的方法，其中塔包括至少一个循环流区域，其限定了一个径向向内的区域和径向向外的环形区域，该方法还包含促进径向向内区域比环形区域的气体滞留量高的步骤，水藻悬浮的在循环流中循环，向上通过径向向内的区域，向下通过环形区域，以促进紧密接触。
10.权利要求9所述的方法，其中塔包括多级循环流区域，区域之间通过导流片分隔。
11.权利要求10所述的方法，在循环流区域上方的导流片区域中还包含以下步骤1)改变气流流向，使其向上流动，从而使通过下流管区的气体最少，和2)改变液流流向，使其向下流动，使其进入下流管区，其中相邻两个循环流区域的液体交流基本可以避免。
12.权利要求9所述的方法，其中垂直的导流片由安装在塔中央的引流管组成。
13.权利要求1所述的方法，其中塔包括至少一个循环流区域，限定了一个基本向内的区域和基本向外的环形区域，该方法还包含促进基本向外环形区域比基本向内区域的气体滞留量高的步骤，通过基本向外环形区域水藻悬浮液在循环流中向下循环，通过基本向内区域在循环流中向上循环，以促进紧密接触。
14.权利要求13所述的方法，其中塔包括多级循环流区域，区域之间通过导流片分隔。
15.权利要求14所述的方法，在循环流区域上方的导流片区域还包含以下步骤1)改变气流流向使其向上流动，因此，使通过下流管区的气体最少，和2)改变液流流向使其向下流动进入下流管区，其中相邻两个循环流区域的液体交流基本可以避免。
16.权利要求13所述的方法，其中垂直的导流片由安装在塔中央的引流管组成。
17.权利要求1所述的方法，还包含破裂泡沫的步骤，并且这里重复步骤(c)至(f)进一步浓缩水悬浮液。
18.权利要求1所述的方法，其中水悬浮液是盐生杜氏藻在盐水中的悬浮液。
19.一种盐生杜氏藻盐水悬浮液的脱水的方法，包含以下步骤(a)从水藻来源获得水藻悬浮液；(b)破裂水藻细胞；(c)将悬浮液通入泡沫浮选塔，通过重力作用在塔内向下流动；(d)产生细的气泡，与悬浮液形成净的逆流，以与悬浮液紧密接触；(e)在塔内循环回路中的循环悬浮液，促进细泡与水藻细胞的紧密接触；(f)气泡吸附水藻细胞形成气泡水藻聚集物；和(g)形成气泡水藻聚集物的泡沫。
20.权利要求19所述的方法，其中塔包括至少一个由垂直导流片限定的循环流区域，导流片将塔分为上流管和下流管，其中气体与液体在上流管中向上并流，在下流管中向下并流，以促进紧密接触。
21.权利要求20所述的方法，其中塔包括多级循环流区域，区域之间通过导流片分隔。
22.权利要求21所述的方法，在循环流区域上方的导流片区域还包含以下步骤1)改变气流流向使其向上流动，因此，使通过下流管区的气体最少，和2)改变液流流向使其向下流动进入下流管区，其中相邻两个循环流区域的液体交流基本可以避免。
23.权利要求20所述的方法，其中垂直的导流片由安装在塔中央的引流管组成。
24.一种从盐水中分离盐生杜氏藻的方法，分离的水藻用于回收混合类胡萝卜素，该方法包含以下步骤(a)从其来源获得盐生杜氏藻在盐水中的悬浮液；(b)破裂水藻细胞；(c)将盐水通入多级循环流浮选塔，基本通过重力作用在塔内向下流动，该塔包括至少两个由垂直导流片限定的循环流区域，导流片将塔分为上流管和下流管，其中气体与液体在上流管中向上并流，在下流管中向下并流；(d)通过喷射气体进入最低循环区域的上流管内，气体被分散成细泡，逆流通过盐水；(e)使上流管内气体滞留量比下流管内气体滞留量高，盐水在循环流中向上循环，向上通过上流管，向下通过下流管；(f)使上流管中的气流向上流动，使进入下流管的气体分流量最少；(g)使上流管中的液流向下流动，使其进入下流管区，其中相邻两个循环流区域的液体交流基本可以避免，细泡与水藻细胞紧密接触水藻吸附于气泡的表面；和(h)形成富集水藻的泡沫，水藻与盐水实现了分离。
25.权利要求24所述方法，还包含破裂泡沫获得水藻浓缩物的步骤，其中重复步骤(c)至(i)以获得混合类胡萝卜素的可提取浓度。
26.权利要求24所述方法，还包含破裂泡沫获得水藻浓缩物的步骤，其中重复步骤(c)至(i)以获得交叉流微量过滤所需的混合类胡萝卜素浓度。
27.权利要求24所述方法，还包含以下步骤a)交叉流微量过滤水藻浓缩物，使滞留液中的混合类胡萝卜素浓度可进行高密度气体提取；b)用高密度气体提取法从滞留液中提取混合类胡萝卜素，获得干燥的混合类胡萝卜素提取物。
28.权利要求27所述方法，还包含通过色谱法纯化混合类胡萝卜素的步骤。
29.权利要求24所述方法，其中表面气体速度Jg约为0.1至1.0厘米/秒。
30.权利要求24所述方法，其中气体与原料的比例约为0.1至1.5。
31.权利要求24所述方法，其中液体滞留时间约为2至20分钟。
32.权利要求24所述方法，其中泡沫中固体占泡沫重量的百分率，不计算气体重量，约为60ppm至17％。
33.权利要求24所述方法，其中所述气体不含有氧气。
34.一种从盐生杜氏藻中提取混合的类胡萝卜素的方法，该方法包含以下步骤(a)从其来源获得盐生杜氏藻在盐水中的悬浮液；(b)破裂水藻细胞；(c)将水藻悬浮液通入多级循环流浮选塔，通过重力作用在塔内净向下流动，该塔包括至少两个循环流区域，每个区域均限定了一个径向向内的区域和一个径向向外的环形区域；(d)通过喷射不含氧气的气体进入最低循环区的径向向内区域内，形成通过悬浮液的净逆流，其表面气体速度Jg约为0.1至1.0厘米/秒，气体与原料的比例约为0.1至1.5；(e)促使基本向内区域的气体滞留量比环形区域高，水藻悬浮液在循环流中循环，向上通过径向向内区域，向下通过环形区域；(f)径向向内区域的气流向上并径向向内流动，使通过环形区域的气体最少；(g)使液流向下并径向向外流动，使其进入环形区域，基本不进行逆向混合，且细泡与水藻悬浮液紧密接触，水藻吸附于气泡表面；(h)形成富集水藻的泡沫，水藻与盐水实现了分离；(i)破裂泡沫获得水藻浓缩物；和(j)重复步骤(c)至(i)以获得浓缩的混合类胡萝卜素，即泡沫中固体占泡沫重量的百分率，不计算气体重量，约为1至17％。
全文摘要
本发明涉及一种微藻水悬浮液的脱水方法,将微藻水悬浮液通入气泡塔或改造的气泡塔,产生泡沫和被吸附的水藻细胞,使水藻从水悬浮液中得以分离。在一个有利的实施方案中,气泡塔为多级循环流浮选塔,具有3个循环流区域,每个区域由安装在塔中央的引流管限定,并将每个循环流区域分为上流管和下流管。气体细泡与盐水在上流管中并流上流,在下流管中并流下流。在下流管中盐水在循环流中向下循环上流管内气体滞留量比下流管内气体滞留量高,盐水在循环流中循环。向上通过上流管,向下通过下流管。相邻两个循环流区域的液体交流基本可以避免。形成富集水藻的泡沫,水藻与盐水实现了分离。该方法可以用于从盐生杜氏藻中提取混合类胡萝卜素。
文档编号C12P23/00GK1241148SQ97180839
公开日2000年1月12日 申请日期1997年12月10日 优先权日1997年12月10日
发明者S·A·格尔彻尔, J·S·卡内尔 申请人:伊斯曼化学公司