破裂微藻细胞的方法

专利名称：破裂微藻细胞的方法
发明领域
本发明是关于从藻类回收成分地方法。更具体地说，本发明是关于从盐沼杜氏藻(Dunaliella Salina)回收混合类胡萝卜素的方法。

背景技术：
类胡萝卜素是在橙黄色蔬菜和多种暗绿色食物中发现的深黄-橙色色素。β-胡萝卜素在各种类胡萝卜素中含量最多。在体内β-胡萝卜素可被转化成维生素A。维生素A是一种脂溶性维生素，可在体内贮存有限的一段时间，主要是贮存于肝脏内，不象水溶性维生素那样不能贮存。如果摄入大量维生素A，则可能是有毒的。但是，需要时β-胡萝卜素在体内被转化成维生素A，一般认为β-胡萝卜素是维生素A的非毒性来源，即使大量也无毒。
β-胡萝卜素已被看作是一种抗氧化剂，在动物组织内，它能对抗氧化作用的损害。由于这个缘故，以及作为维生素A的非毒性来源，β-胡萝卜素已被高度评价，并具有作为营养补充物的商业价值。无论如何，最近已出现了对β-胡萝卜素作为一种从混合类胡萝卜素中分离出来的营养补充物的健康效果的关注，事实上在混合类胡萝卜素中一般都存在β-胡萝卜素。
植物产生的混合类胡萝卜素，包括β-胡萝卜素，可从包括胡萝卜，菠菜和棕榈油在内的各种来源得到，但是，它们的相对浓度在Dunaliella属藻中较高。这种藻类通常发现在浓盐水溶液中。在适当的生长条件下，混合类胡萝卜素的含量可达水藻干重的10％以上。
例如，当暴露于高温，强光，以及每单位体积盐水含有NaCl浓度大于约20％的盐水液等应激状态时，盐沼杜氏藻趋向于聚积相当大量的类胡萝卜素和甘油。认为类胡萝卜素可保护水藻免受阳光损伤。类胡萝卜素的浓度随盐水盐浓度增加而增加，直至达到该水藻的耐盐性极限。
已提出了多种方法用于从盐沼杜氏藻回收β-胡萝卜素，类胡萝卜素和其它有价值的成分。盐沼杜氏藻提供了一个β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素的来源，目前已从中制造了几种营养补充物。但是，对于以无潜在有毒溶剂和其它有害物质的形式，从盐沼杜氏藻经济有效地回收类胡萝卜素仍有些问题。盐沼杜氏藻作为类胡萝卜素来源的商业开发遇到许多困难。
耐盐藻，包括盐沼杜氏藻，通常可在盐湖中发现，包括犹他州大盐湖。从湖泊和其它天然环境中收获盐沼杜氏藻，商业上通常是不可取的，部分原因是在未控制生长的条件下类胡萝卜素的低浓度。
商业上，正常情况下是从在特别建筑的野外池塘中产生的培养物中收获盐沼杜氏藻。为了促进类胡萝卜素的产生，这种野外池塘一般建筑在具有炎热、干旱气候的地区，且少雨水，少阴天。
为了培植水藻，已经发展了二种不同的水产养殖法。它们是精作模式(intensive mode)和粗放模式(extensive mode)。二种水产养殖技术都需要对培养基内加入养料，以便供给必要的无机养分，磷，氮，铁和微量金属元素，这些都是通过光合作用产生生物量所必需的。
二种生产模式之间的主要差别是生长培养基的混合方式。精作模式池塘采用机械混合装置，而粗放模式池塘依赖于风力混合。因此，对于精作模式养殖法，可较精确地控制影响水藻生长的因素。
不论是精作模式还是粗放模式，生长培养基的盐度都控制在特定范围内，通常是每单位体积盐水中按重量含约18-27％的NaCl。认为这个浓度范围能提供最大类胡萝卜素产量。认为对于盐沼杜氏藻，最佳生长范围是约18-21％的盐度。认为在大于约27％的盐度时，在水藻生物量中出现最大的类胡萝卜素产量。已有报导在约24％盐度时，每单位体积盐水培养基出现了最大的类胡萝卜素产量。
用于精作模式养殖法的野外池塘一般较昂贵，通常是混凝土结构，并衬以塑料。盐水深度一般控制在20厘米，认为此深度是产生水藻生物量的最佳深度。已经提出了多种池塘结构用于精作模式养殖法。但是，对于商业养殖，露天气道的池塘通常是最重要的。气道池塘采用叶轮提供混合动力。化学和生物学参数可仔细控制，包括盐和养分的浓度，盐水的pH，以及培养物的纯度。
粗放模式养殖法已在澳大利亚炎热干旱的地区实施。用于粗放模式养殖的野外池塘，与用于精作模式养殖的池塘相比较，一般较大，并且通常情况下是建筑在湖床内。这种露天池塘通常是以土制堤坝限定范围。不采用任何混合设置。池塘内的混合作用是借助于风来产生。优化池塘的深度和化学成分以达到最大的类胡萝卜素产量。
但是，对于最大类胡萝卜素产量，培养物纯度和稳定性的参数，在粗放模式池塘不象在精作模式池塘那样容易控制，因为缺少充分的混合，并且粗放模式池塘容量也比较大，盐水的成分易波动。与精作模式池塘相比较，水藻生物量的浓度较低。粗放模式池塘更易受捕食动物和竞争者的侵染。
在大约20％以上的盐度下，捕食动物和竞争者一般不能生存。如果池塘的盐度下降至低于约20％，培养物可能被捕食动物侵染，它们的数量迅速增加，使盐沼杜氏藻群体大量被毁灭。主要的捕食动物是纤毛原生动物Fabrea salina，以及盐水虾Artemia saline。在盐浓度低于约15％时，其它藻类趋于同盐沼杜氏藻竞争养料，并且另一些捕食动物还可能使盐沼杜氏藻群体进一步减少。
与精作模式池塘相比较，在粗放模式池塘从盐水中回收这种水藻也有较多的问题，因为是更稀释的培养物。但是已观察到，水藻倾向于在粗放模式池塘和天然盐湖的边缘集中成长条形聚集。水藻常被风吹越过湖或池塘表面，被收集在背风侧，集中成长条形聚集。已经意识到，收获此聚集带的能力可显著地改善方法的经济效果，因为其中有较高的水藻浓度。然而，还没有可普遍采用的满意技术可用于收获这种水藻聚集带。
通常也不可能从一个固定的收获设备位置收获较大量的水藻聚集带。风向通常有点不可预测，并可经常改变。聚集带可能沿着池塘或湖的边缘在不同的位置形成。当聚集带没有在固定的收获设备位置形成时，那么稀释的悬液将被处理，使水藻耗尽，导致降低产率。由于需处理更稀的培养物，收获成本比较高。
然而，较高的收获成本可能通过基本投资给予弥补，对于精作模式养殖需要投资水泥结构和塑料衬里的池塘。与精作模式养殖的加衬水泥池塘相比较，用于土质粗放模式池塘的每单位容量的池塘建筑成本是相当低的。
已经意识到，如果可能从其天然生长的湖中收获水藻，那么可以想象，池塘建设费用，养料费用和盐水配制费用都基本上可以省去。但是，也已认识到，从湖泊和其它天然环境中收获水藻是不经济的，没有商业利用价值。通常不能对湖水盐度，湖水的矿物度和营养成分，以及天然盐湖中的混合度进行任何程度的控制。稀释的水藻培养物的稳定性也可能出现问题。
处理盐沼杜氏藻的稀培养物一般是不经济的，部分原因是在从它们生长的盐水中分离水藻时遇到的问题和困难。这种水藻具有运动性，中等密度，以及大约12-16微米×25微米的小椭圆形态，致使对这种水藻的收获比较困难。
通常可通过应用化学絮凝剂或凝结剂，结合使用沉降器，离心机，滤器，吸附剂或其它分离手段，从发现它的盐水中分离出盐沼杜氏藻。化学处理包括例如，硅烷可被用作吸附介质，以便增强吸附作用。已提出了多种方法用于从这种水藻中提取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。还提出了用烃类溶剂，食用油溶剂，和超临界二氧化碳作溶剂用于提取。还可以借助于机械手段使水藻裂解，促进对成分的提取。
化学添加剂如絮凝剂和凝结剂，限制了以盐沼杜氏藻作为类胡萝卜素和β-胡萝卜素来源的商业开发，部分原因是对水藻悬液，特别是烯悬液加入这些试剂的高成本。化学添加剂，化学处理，和烃类溶剂，被认为对营养补充物是有害的。
希望能更经济，更有效地收获盐沼杜氏藻，并以最少的或者没有不良的添加剂从中提取出类胡萝卜素和其它有价值的成分。
发明概述
本发明提供了一种方法用于从其生长的培养基中分离出微小水藻，并随之从水藻中回收各种成分。此方法包括气泡吸附分离法，它能使水藻脱水，达到浓缩水藻的目的，因而可较经济地从中提取出可提取的成分。可从广泛的起始浓度达到可提取的浓度。可避免使用化学添加剂和化学处理，它们可能污染生长培养基或水藻浓缩物。如果需要，在提取成分之后，生长培养基和剩余的水藻可恢复到原状。
本发明可对从在天然湖泊和池塘中获得的稀悬液水藻进行经济地脱水。在稀悬液中的细胞浓度有时低至每毫升生长培养基2000个细胞。多个气泡吸附分离单元可用于使水藻脱水。在连续的气泡吸附分离步骤中，水藻越来越浓缩。
本发明可用于收获水藻聚集的长条，包括一台可移动的收获处理装置。在这方面，气泡吸附分离法可使用气动力发泡浮选装置，此装置可用重量轻的塑料制造，并且只有较小的移动面积。因为移动轨迹较小，所以此设备可安装在平板卡车，拖车，浮箱上，或者安装在其它易灵活转移的装置上，这样便于移动到形成水藻聚集带的旁边。此设备可走向水藻聚集带，而不是等候水藻聚集带移到设备旁。
本发明还能对在粗放模式和精作模式池塘中培养的较浓缩的悬液进行经济的脱水处理，在这种池塘内，细胞计数有时达到每毫升生长培养基百万个细胞。
本处理方法包括几个步骤。首先是获得在其生长培养基中的水藻悬液，来源可包括精作池塘，粗放模式池塘，或天然的湖泊，包括其中有盐沼杜氏藻茂盛生长的犹他州大盐湖的盐水。在获得这种水藻悬液之后，可通过气泡吸附分离法将它从培养基水溶液中分离出来。
在这方面，本发明普遍地采用分散气体浮选法，包括机械的和气动力发泡浮选法，溶解气体浮选法，以及电解法，用于在没有不良化学添加剂和化学处理的情况下，使杜氏藻属藻类的悬液脱水，并从此种水藻中提取各种成分。可以使用食品级的溶剂，从杜氏属藻得到高回收率的混合类胡萝卜素。
电解浮选和溶解气体浮选法不一定与分散气体浮选法等同。当培养基水溶液是浓缩的盐水时，则需要较大的电流用于电解浮选，因为盐水比淡水具有更强的导电性。气体通常不象在淡水中那样容易溶解在浓盐水中。
对盐沼杜氏藻的脱水，可通过先使包裹藻体的膜破裂，然后借助于气泡吸附法除去水分，可不使用凝结剂或絮凝剂。尽管不希望受到理论的束缚，但是据认为，当包裹藻体的膜破裂时，藻体将吸附在与盐水紧密接触的疏水性气泡上。可以应用一般预期能瓦解藻体絮凝物的高切变条件，而当此过程是以浮选絮凝藻体为目的时，认为这种条件是不理想的。这种水藻看来还含有天然存在的表面活性剂，并具有足够的浓度和能量，易产生稳定的泡沫。在下面的详述中将论述几种破裂水藻的方法。
在泡沫浮选过程中，作为分散气体浮选法的一种，其中的气体是被分散成微小的气泡。这种气体可以是空气或不含氧气和氧化剂的气体，以避免对类胡萝卜素的氧化作用。微小气泡与藻悬液紧密接触，水藻被吸附在气泡的表面，形成气泡和水藻的聚结物，使盐水中不存在水藻。将气泡和水藻的聚结物从液相中分离出来，成为浓缩的藻悬液泡沫。
如果需要，可用浮选辅助剂提高回收率。不需要絮凝剂或凝结剂，至少对于盐水中盐沼杜氏藻脱水不需要，但是如果需要也可加入。破裂的水藻是通过附着于气泡被浮选，不是通过絮凝作用。高切变场可被应用于提供小气泡，促使气泡和颗粒紧密接触，另一方面在絮凝和浮选过程中，低切变场一般被用于使絮凝物损耗减到最小。
用于泡沫浮选的气体，通过产生水藻悬液液体喷射，并压迫液体喷射通过气体，可被分散成微小气泡，并可在水藻悬液中形成分散的气体。在下面详述中将要描述的Jameson小室是可用于本发明这方面的一种装置。
如在一个吸附塔中，通过将气体喷射进入液相中，气体可被分散成微小气泡。一种多级环流浮选塔，有时被称为“MSTLFLO”塔，是用于实施本发明这方面的一种装置。
通过将气体导入水藻悬液，并对悬液和气体施加机械切变应力，可使气体分散成微小气泡。通过将气体导入涡旋的高速液流中，并使用静电混合器产生小气泡，也可使气体分散成微小气泡。这种液体一般可以是新鲜的水，盐水，或表面活性剂溶液。
取决于环境条件和可得到的设备，应该采用上述的和其它装置的组合形式，用于产生小气泡，并促进气泡和水藻悬液之间紧密接触。
借助于几种方法可实现微小气泡和藻悬液之间的紧密接触。可对气泡和悬液进行机械地或气动力混合。机械混合装置通常是采用在竖直的通风井上装一台旋转涡轮推进器，用以提供机械混合和通气。还可通过使用鼓风机提供通气。
气动力混合依赖于将气体加到气泡和藻类悬液的二相系统中，产生浓度差而导致混合。在每种方法中，气泡和藻悬液可以按相对流动或平行流动的方式，或者以二者组合的方式相接触。
一般是通过重复进行气泡吸附分离步骤而进一步浓缩水藻悬液。应达到适合于从水藻中提取可提取的成分，包括从盐沼杜氏藻中提取混合类胡萝卜素的水藻悬液浓度。
本发明的另一方面，该方法还包括过滤藻悬液。可使藻悬液与深床过滤基质接触，或者使之象微过滤一样通过一种滤膜。通常是在气泡吸附分离过程之前进行深床过滤，作为预浓缩步骤。一般在过滤之前使水藻破裂，通常是使藻悬液在足够在压差下通过，虽然下面详述中所论述的任何破裂法都能满足需要。微过滤一般是用作后浓缩步骤，在气泡吸附分离过程之后进行，以便获得适合于藻成分浓密气体提取的水藻浓度。
另一方面，本发明包括，通过使脱水的悬液与适当的溶剂接触，而从脱水的藻悬液中提取藻成分。如果需要，可将溶剂预先分散在藻悬浮中，随后进行提取。适合用于实施本发明的提取溶剂包括食用油，香味剂(flavorants)，石油化学溶剂，和浓密的气体，虽然不一定能得到同等的效果。香味剂普遍认为是安全的，通常具有作为提取溶剂的优良品质，较小的粘稠性而便于使用，并比食用油有更大的溶剂效力。石油化学溶剂对于营养补充物通常是不希望使用的，因此常常避免使用。
如果已使悬液达到了适合的藻浓度，如需要下一步可用浓密气体进行提取，包括使用超临界和亚临界二氧化碳，以及其它气体。一般情况下，是在泡沫浮选之后，通过微滤膜对水藻进行浓缩，得到适合于用浓密气体提取其成分的固定浓度。但是，如果需要，也可以应用较常规的提取法，使用或不使用微过滤步骤。
因此，同以前的通常方法相比较，本发明特别提供了更经济有效，环境安全和营养上可接受的方法，用于收获盐沼杜氏藻，并对它脱水处理，以及从这种藻中提取混合类胡萝卜素。可对稀浓度的，聚集带，或更浓的水藻来源进行收获。如果需要，可使用移动性收获设备。可借助于气泡吸附分离法进行脱水，不需要絮凝剂，凝结剂或其它不良添加物。可用食品级溶剂从浓缩的水藻中提取β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素，生产混合类胡萝卜素的食品来源。
附图简述
对本发明的某些特点和优越性已作了陈述。其它一些优越性将在结合附图描述本发明的过程中给予说明。其中


图1表示方法的工艺流程图，用于获得藻悬液，使水藻脱水，以及从藻体提取有用成分；
图2图解表示用于破裂藻体的泵环路系统；
图3图解表示用于交叉流微过滤藻悬液的环路；
图4图解表示对于图3的交叉流微过滤环路，流量对时间的关系；
图5图解表示泡沫浮选法，描述泡沫浮选法的各个区；
图6图解表示一个泡沫浮选环路，包括用于脱水处理藻悬液的粗选器，浓缩器，和精选器；
图7图解表示一种机械浮选室；
图8图解表示一个单独的下导管式Jameson室；
图9图解表示一种多级环流泡沫浮选塔，也被称为MSTLFLO塔；
图10图解表示加拿大塔，有时也被称为气泡塔或传统塔；
图11图解表示一个简便的泡沫浮选环路，包括用于获得混合类胡萝卜素产品的Jameson室粗选器，第一级Jameson室浓缩器，第二级MSTLFLO浓缩器，交叉流微过滤单元，连续的浓密气体提取单元，以及旋流分离器；
图12是用于从藻体提取混合类胡萝卜素和其它有用成分的工艺流程图。
详述
本发明用于从水藻生长的培养基质中分离水藻方法的综合步骤，被表示在图1中。下面将根据使盐水中的盐沼杜氏藻脱水，以便从盐沼杜氏藻中提取混合类胡萝卜素的过程，对图1进行论述。
在各种藻类中，盐沼杜氏藻有些特殊，它通常以含叶绿素的单细胞生物形式存在，并且没有真正的细胞壁。认为盐沼杜氏藻取而代之地具有一层保护性磷脂膜，在实施本发明中它将被破裂。据信，在气泡吸附分离的条件下，是藻体内部成分，而不是这种膜对盐沼杜氏藻在盐水中的良好表面活性状态起主要作用。
应该认识到，杜氏藻属还包括Dunaeliella bardawil，本发明在此所述的内容也完全适用于Dunaeliella bardawil。关于杜氏藻属的分类在文献中可能有些混淆，可能盐沼杜氏藻和Dunaeliella bardawil是相同的一种藻。
但是，还应意识到，还存在其它藻类，淡水藻和盐水藻，都可借助于本发明的方法实施脱水，虽然结果不一定等同。应该认识到，其它的藻类也可能包含所需要的成分，包括类胡萝卜素，蛋白质和其它有机化合物。如果需要也可以按本发明提取，当然结果也不一定等同。概括地说，相信本发明的方案将适用于绿藻门和红藻门的藻类。
为方便读者，下面的提纲列出了有待详述的内容和实施例。
I. 收获水藻
II.破裂水藻细胞
III.可选择地加入化学辅助剂和化学处理剂，但通常不必要
IV.从生长培养基中机械过滤分离水藻
V.气泡吸附分离使水藻脱水
A.总体设想
B.泡沫浮选
C.泡沫浮选环路系统
1.粗加工
2.浓缩
3.精制
D.机械和气动力浮选室概述
1.机械浮选室
2.气动力浮选室
a.Jameson室
b.多级环流浮选塔(MSTLFLO)
c.加拿大塔
d.空气喷射水力旋流器(ASH)
e.EKOFLOT气动力浮选室
f.MicrocelTM微泡浮选塔
g.其它浮选装置
E.优越的泡沫浮选环路系统
VI.从浓缩的藻悬液中回收选定成分
A.对成分的纯化和分离
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.在泵环路中细胞的破裂
B.深床过滤
C.微过滤
D.泡沫浮选
1.机械泡沫浮选法
2.气动力泡沫浮选法
a.Jameson室
b.多级环流泡沫浮选塔(MSTLFLO)
c.加拿大塔
d.空气喷射水力旋流器(ASH)
E.回收有价值的成分
1.溶剂的分配系数
2.液相提取法
3.液相提取物质传递动力学
4.用苎烯连续提取类胡萝卜素
I.收获水藻
返回到图1，据步骤20，包含盐沼杜氏藻悬液的供料盐水流，是从其来源处获得。供料流的获得，通常是借助于泵将藻悬液从其来源处送至用于使藻脱水的设备中。一般来说，可用离心泵收获这种水藻，当然也可用其它泵代替。离心泵是化学工业中用于转移各类液体的最广泛使用的泵之一。
有时需要可移动性收集泵，将藻悬液从其来源处转移至脱水设备中。按此方式，本发明可运用于收获聚集的水藻带。这种泵可以是浮动泵或潜水泵，或者可安装在容易定位在形成水藻聚集长条处的浮箱或其它装置上。
本发明的脱水方法主要依赖于应用具有小移动面积的泡沫浮选塔。由于其占地面积小，这种设备可安装在平板卡车，拖车，浮箱，或其它易灵活转移的装置上，便于移动到收集供料流的水泵位置或其附近。此设备可走向收获位置，而不是等候收获位置来到设备处。
所获得的用于供料流的藻悬液浓度可在较宽的范围变化，从稀悬液到较浓的悬液都可以。本发明能够对天然湖泊和池塘中的稀藻悬液进行脱水。例如，本发明可用于对从犹他州大盐湖得到的盐沼杜氏藻天然群体悬液进行收获和脱水。
在稀悬液中，每毫升生长培养基中的细胞浓度有时可低至2000个细胞。应用移动性收集泵可减少获得藻悬液的费用，因为移动性收集泵可走向藻聚集带形成的位置。
本发明也可有效地对在粗放模式或精作模式池塘中养殖的较浓悬液进行脱水，在其中细胞计数有时可达到每毫升生长培养数百万个细胞。
II.破裂水藻细胞
一般说来，在使悬液脱水之前，先使盐沼杜氏藻细胞破裂是实用的，不论借助于气泡吸附分离法或者深床过滤法都可以。如图1的步骤22所示。从破裂的细胞得到了高回收率，每毫升悬液中混合类胡萝卜素的含量范围在0.0003mg-0.3mg。这个范围相当于每毫升约2000-3,000,000个藻细胞。
破裂细胞可在有空气的条件下进行，但是，有没有氧气或氧化剂下进行是有利的，以便尽量减少破裂细胞的成分对氧的暴露。对有用成分，包括类胡萝卜素的氧化作用基本上可以消除。适合的气体包括那些对藻细胞成分惰性的气体，如氮，二氧化碳，氩，和其它惰性气体，以及这些气体的混合物，普遍认为这些气体是化学惰性的。
为了回收类胡萝卜素，有必要在气动力泡沫浮选之前使细胞破裂。但是，应该注意到，如下面所述，气动力浮选装置可在使细胞破裂的状态下运行，因此不需要单独的预先破裂步骤。在由机械泡沫浮选装置转子和定子的机械作用产生的切变应力场中，可导致细胞破裂。对机械泡沫浮选装置供给完整的细胞，得到了大于95％的可利用细胞回收率。不论在气泡吸附分离过程之前或者之后，如果用深床过滤法浓缩藻悬液，那么，如果此深床有效地收集了藻细胞体，使细胞破裂通常是必要的。
任何适合的方法都可用于破裂这种细胞。可通过机械手段破裂这种细胞，包括使用高切变应力混合机和French压碎器。可以使悬液通过阀门在泵环路系统中循环而使细胞破裂。
还可以在高压下使藻悬液通过Jameson室，作为第一阶段的脱水步骤而使藻细胞破裂。在下面关于使藻悬液脱水的泡沫浮选技术中，将对Jameson室和它破裂细胞的运行过程进行论述。通过在Jameson室内使水藻破裂，可避免单独的破裂步骤。
使悬液通过泵环路系统进行循环，可容易地通过使由收获泵供给的一部分悬液再循环来实现，此收获泵是用于从来源处转移盐水至脱水设备的水泵。
图2中显示的是使悬液通过阀门在泵环路中循环，而使水藻细胞破裂的装置。将在下面的实施例中对图2进行描述，它表明为了破裂泵环路中的水藻细胞，应如何确定压力差和再循环百分数。
如图2中所显示，水藻悬液通过可能是离心泵的38，从来源处34被转送至脱水装置36。由泵输出管道40对脱水装置供应盐水。以泵输出管道中的调节阀42用于调节压力差。盐水通过供料输入管道44进入脱水装置。以再循环管道46从泵的输出端提供再循环盐水至泵输入端。必要时可借助于泵环路中的阀50，改变通过再循环管道的流速，以便提供所要求的再循环百分数。
二个参数控制通过使水藻悬液经受压力差而破裂的细胞数量。第一个参数是压力差的大小。第二个参数是通过压力差的次数。该破裂水藻的百分数随压力差和再循环百分数的增加而增加。在小于约200psig的压力差下，为了达到大于40％的细胞破裂，多次通过是需要的。但是，当再循环百分数大于约100％时，在压力差大于约150psig下运转似乎只有很小的效果。多次经受压力差可增加破裂细胞的百分数。
已确定，以大约100％-300％的再循环百分数，使水藻悬液经受由泵环路提供的大约50-200psig压力差，对破裂盐沼杜氏藻是有效的。还已确定，以大约200％-300％的再循环百分数，大约100-150psig的压力差也是有效的。
III.可选择地加入化学辅助剂和化学处理，但通常不必要
鉴于下面提到的各种原因，特别是从水藻所获得的产品是用于营养补充物时，通常不希望以化学辅助剂和化学处理剂用于收获水藻和使之脱水。应该强调的是，在实施本发明的过程中，正常情况下不需要化学辅助剂和化学处理剂。根据本发明的另一些方面，通过实施在此所述的细胞破裂技术，对于脱水可避免使用化学辅助剂和化学处理剂。尽管如此，如果需要，化学辅助剂和化学处理剂作为一种选择也可以采用。
由于各种目的要求和需要时，在脱水之前可对藻悬液加入化学辅助剂。可以将为了改善分离效果而加入的化学辅助剂分为三类凝结剂，表面修饰剂和预分散溶剂。为了回收类胡萝卜素，可在提取步骤之前的某个时间，包括在悬液脱水之前，将用于与下游提取步骤有关的溶剂分散在藻悬液中。这些溶剂被称为是预分散的。将在下面关于本发明的提取步骤中，对包括预分散溶剂在内的溶剂进行论述。为了产生更容易分离的较大的凝聚体，可加入凝集剂如离子凝聚剂和聚合絮凝剂。为使水藻更易漂浮，可加入表面修饰剂如泡沫发生剂和浮选捕集剂。
可在细胞破裂后，气泡吸附分离之前将化学辅助剂加入混合装置中。但是，根据本发明的实践，为了使盐沼杜氏藻脱水不是必需使用不良的化学辅助剂。本发明实施的细胞破裂技术，足以使这种水藻脱水。
化学辅助剂可能对以藻成分制备的营养补充物，以及对这种水藻在其中生长的培养基的质量和价值产生不利的影响。某些化学添加剂可能不适合用于生产营养补充物的过程中。由于使用化学辅助剂，对于水藻的生长培养基和剩余的水藻会产生清除处理的问题。例如，当盐水将返回湖泊时，在对取自大盐湖的藻悬液脱水的过程中，将避免使用不良的化学辅助剂。
某些化学辅助剂从经济的观点可能是不适合的。当水藻是从天然湖泊和某些粗放模式池塘相当稀的悬液中获得时，为了凝集藻体需要大量的化学药品如明矾。为了从藻体中分离出化学添加剂，一般都需要后续的分离处理，这将进一步增加生产成本。
在正常情况下虽然不必要，但是，在泡沫浮选过程中，为了提高水藻的回收率，可以考虑适当地使用起沫剂。可在进入泡沫浮选装置之前将起沫剂加到气相或液相中，或者直接加到泡沫浮选装置内的藻悬液中，以便增加泡沫的稳定性并产生小气泡。起沫剂的实例包括2-乙基己醇，甲基异丁基甲醇，也被分别称为MIBC和Dowfroth250。起沫剂Dowfroth250可从地处Michigan州Midland的Dow化学公司购得。当使用起沫剂时，则起沫剂的剂量可能随藻悬液的脱水方式而改变。一般情况下起沫剂的剂量范围是约5-25ppm。
但是，应该强调的是，为了从盐沼杜氏藻中回收类胡萝卜素，正常情况下不需要起沫剂。尽管不希望受到理论的束缚，但是据信，这种水藻含有在饱和盐水中产生小气泡的足够浓度和表面活性剂效力的化合物。
可以用浮选捕集剂和抑制剂对供料流中的水藻加以制约，以便改善浮选的选择性。例如，合乎要求的是，先于耐盐菌或者其它不需要的竞争性藻类或捕食动物，增加气泡吸附盐沼杜氏藻的选择性。浮选捕集剂与藻体结合，将它们附着或吸附在气泡表面，以便使藻体能随气泡而移动。另一方面，浮选抑制剂与悬液中不需要的成分结合，可基本上防止它们附着于气泡。当存在相当多的污染物时，使用浮选抑制剂是合乎要求的，否则它们将随水藻一起被回收。
凝集剂包括合成的聚合物和离子凝聚剂。典型的离子凝聚剂包括明矾或三氯化铁。一般来说，理想地是避免使用凝集剂。在实施本发明中可认为不需要凝集剂。但是，在本发明的许多情况下，取决于环境条件，可能确定它们是有利的，并可有利地被使用。例如，通过使用凝集剂，有时可改善从深床过滤基质中对藻成分的回收。
IV.从生长培养基中机械过滤分离水藻
再回到图1，本发明的方法任选地可包括各种过滤步骤。不论在从盐水中气泡吸附分离水藻之前和之后，进行机械过滤步骤都是有效的，如步骤24和28分别所示。一般情况下，可在气泡吸附分离之前，通过应用深床过滤将水藻悬液浓缩。在气泡吸附分离之后，可通过微过滤再将藻悬液浓缩。但是，应该理解的是，不论在气泡吸附分离之前或之后，都可进行其中任何一种过滤步骤，并且在某些情况下，气泡吸附分离步骤可能不必要。但是，为了充分地浓缩藻悬液，获得它的成分，气泡吸附分离法通常是最经济的手段。
为了浓缩藻悬液达到在供料悬液中约1％固体的经济实用的范围，深床过滤法是一种有效的技术。超过这个范围深床过滤法可能不大经济。随着固体浓度增加，使从过滤基质中回流清除固体变得越来越快。使滤器运行促使液体通过塔柱的压力变得更大。由于这个原因，深床过滤通常是用于在气泡吸附分离之前浓缩藻悬浮，在气泡吸附分离完成之后用处不大。
深床过滤依赖于颗粒状基质床，通常是沙床，在重力作用下，藻悬液通过它向下流动。水藻沉积在颗粒状基质的孔中，以及颗粒基质之间的孔隙中。
不应该把深床过滤同张力过滤(straining filtretion)混淆。在网格或织物的表面会出现张力(Straining)。但是，深床滤器在其容器内充满了颗粒，悬液流过时每个孔和间隙都具有保留藻细胞的机率。
适合的深床过滤基质包括通常用于工业过滤的过滤基质，如石英沙，石榴石沙，无烟煤，玻璃纤维，以及它们的混合物。可以用淡水或盐水洗基质，以便通过气泡吸附分离法回收藻细胞，用于进一步浓缩有用成分。
还可以使基质与溶剂接触，以便从捕获的藻细胞中回收有用成分。下面在关于从盐沼杜氏藻提取类胡萝卜素中论述的溶剂，应该适用于从深床滤器中的藻体提取类似的成分。
完整的细胞或者破裂细胞的成分都可以通过深床滤器回收。完整细胞可以在过滤之前通过使细胞絮凝来回收。但是如果在过滤之前使细胞破裂，回收率通常会有相当大的改善。对于每毫升盐水含有至少0.002mg类胡萝卜素的供料藻悬液，通过本发明的实践已达到了大于70％的类胡萝卜素回收率。在实施例中列举了一个按本发明的实践应用深床滤器的实例。
由于其它一些原因，使盐沼杜氏藻中类胡萝卜素的浓度增加超过深床过滤或气泡吸附分离法的实际范围，可能对某些提取过程是有用的。一般来说，气泡吸附分离法对于类胡萝卜素的最大浓度，具有一个小于约10000ppm的实际上限。对于某些具有经济前途的纯化方法，包括浓密气体提取法，藻悬液中的类胡萝卜素浓度应大于约10000ppm。
已确定微过滤可使盐水盐沼杜氏藻悬液中类胡萝卜素浓度增加，超过借助于气泡吸附分离法正常可获得的浓度，达到没有可测知的在渗透中类胡萝卜素损失的数量级。根据本发明的实践，通过实施微过滤已获得了达到约20000ppm的浓度。图3中显示了微过滤穿流过程的图解。用图3中的装置微过滤将在实施例VIIC中说明。
如在图3中所表示，将可能从例如泡沫浮选室得到的盐沼杜氏藻盐水悬液灌装入贮存槽62中。通过泵64使槽中的悬液转移至穿流微滤器66。在进入此滤器之前，可任选地用热交换器68使悬液冷却。微滤器装配有多孔膜，藻悬液透过膜被泵吸取。典型的膜可能包括陶瓷材料，例如氧化锆，通常具有小于10微米的绝对孔径值。
通常使这种膜材料成园柱形，悬液被泵推动通过此园柱体。盐水经膜流过，作为渗透液流过管道69。藻体遗留在悬液中，流过园柱体作为保留液流过管道70。此保留液可返回贮存槽，并通过滤器循环几次，直至达到足够的浓度。另一种选择是，可以将保留液送入另一级微滤器，或者通过管道72送入提取器。
类胡萝卜素微滴的直径通常小于1/10微米，并预计会有明显的损失在渗透液中。在来自泡沫浮选装置的悬液中，藻体一般都已破裂，悬液有点成胶状，预计正常情况下将迅速污染堵塞滤膜。尽管如此，通过实施本发明的方法，类胡萝卜素在渗透液中一般不能测出，并且，在流量开始降低之后，跨膜流量仍然基本上恒定，没有增加压差。
可对供料液或保留液加入淡水，以便降低悬液中的盐浓度。需要时还可增加补充过滤和稀释步骤，以便在保留液中获得要求的最终盐浓度和类胡萝卜素浓度。稀释后紧接过滤，有时被称为“渗滤”。图4显示对于微过滤和渗滤，流量对时间的曲线图，将在下面实施例中论述。
V.气泡吸附分离使水藻脱水
A.总体设想
现在再回到图1。在藻细胞按照步骤22被破裂并任选地进行过滤步骤24和28之后，如果需要按步骤26实施气泡吸附分离，对藻悬液进行必要的浓缩。
气泡吸附分离是基于气泡在藻悬液中通过时，藻细胞物质选择性地吸附在气泡表面。气泡上升形成泡沫，将藻物质携带出，一般在上面。气泡吸附分离法适用于从大量盐水中取出小量的水藻。
存在多种气泡分离技术，有些产生泡沫，有些不产生泡沫。一种适用于藻类脱水的气泡吸附分离技术，是被称为“泡沫浮选”的分散气体浮选技术。将气体分散进入液体的一般化泡沫浮选技术的图解显示在图5中。
可用于实施本发明的其它类型气泡吸附分离技术有电解浮选法和溶解气体浮选法。但是应该意识到，这些方法存在实用性范围，并且它们也不一定与分散气体浮选法等效。在电解浮选过程中，是借助于使电流通过将与藻分离的水性介质来产生气泡。如果水性介质是浓盐水，那么为了产生气泡则可能需要相对较大的电流。在溶解气体浮选过程中，是在一个单独的容器内，以压力使气体溶解于部分供料流中，然后将形成的混合物导入浮选罐中。突然降压导致溶解的气体集结成小气泡。在盐水中空气的溶解度有点受限制，因此可另选对类胡萝卜素没有不利影响的溶解度较大的气体，例如氦气。
B.泡沫浮选
如图5中所显示的，泡沫浮选装置包括气泡发生区84，收集区88，和泡沫区90。某些区或所有的这些区可以或者不可以占有相同的容器。供料流80从收集区86或者从气泡发生区84进入泡沫浮选装置，取决于所选用的设备。在二种情况下气体都是通过气泡发生区散布于收集区的藻悬液中，在液体中产生二相分散的气体。理想的是产生大量小气泡，使之在一定容量的藻悬液中，形成可供与藻体碰撞的最大的气体表面面积。
在收集区内，藻悬液在促进其密切接触的条件下，同小气泡接触。气泡同藻体碰撞，形成气泡和藻的凝集体。理想的是在收集区内形成浓密的混合，以便提供高频率的碰撞。
在收集区内形成了气泡和藻的凝集体之后，然后在分离区88内将它们从没有藻细胞的盐水中分离出来，通常是借助于重力作用。气体的密度比盐水的密度小2-3个数量级。密度差促使气泡和藻的凝集体浮至气体和液体分散的表面，在泡沫区90的表面凝集体积聚成泡沫。
富含类胡萝卜素的泡沫以液流93流出泡沫区。通常以图6中所示的收集洗涤罐122接收泡沫区的流出液，在此泡沫破裂消失。底下的液流92是没有藻细胞的盐水，从下面流出浮选装置，可以被再循环或者弃去。
适合用于气泡吸附分离装置的气体应该是无毒，无危险性的，包括空气，氮气，二氧化碳，氦，氩和其它惰性气体以及它们的混合物，一般认为这些气体是化学惰性的。为了避免对细胞凝块中类胡萝卜素的氧化作用，特别要使用不含氧或氧化剂的惰性气体。
C.泡沫浮选环路系统
泡沫浮选装置可以以浮选环路的形式使用，使之对藻体中的有用成分达到最大的回收率和浓缩。通过应用浮选环路达到高回收率和高浓缩倍数，可补偿浮选法相当高的能耗成本。
图6中图解显示了一个泡沫浮选环路，泡沫浮选塔以可用于同气动力泡沫浮洗法连接的串联方式相连接。但是应说明的是，所显示的原理普遍地适用于泡沫浮选环路系统，包括机械的和气动力的泡沫浮选设备。
图6中显示的泡沫浮选环路包括粗加工区94，浓缩区96，和精选区98。三个区域中浮选罐的功能取决于它在环路中的位置。藻悬液以供料流102的形式进入粗选罐100。来自粗选罐上面的液流对初始浓缩罐106提供供料流104。藻浓缩物从末端浓缩罐108通过液流110排出。为了提高类胡萝卜素的回收率，由来自初始浓缩罐106的底流液，提供精选供料流112给初始精选罐114。没有藻细胞的盐水废弃液流，作为底流分别从粗选罐100和末端精选罐116排出，如底流118和120。可按需要提供多级浓缩罐和精选罐，以便得到最佳的产品回收率和浓度。如果需要可取消精选罐。另一种方法是，来自粗选罐的底流液118，可作为供料流提供给初始精选罐114，在精选区98内加工处理。这种情况下，如果需要，可使来自初始浓缩罐106的底流液再循环至粗选罐100，或者作为废弃液流排出，或者进入对初始精选罐的供料流。
1.粗选
在粗选区94内粗选罐100发挥初级泡沫浮选的作用，用于从盐水中分离出藻细胞。粗选的目的是产生高藻细胞回收率，而适度地提高其浓度。因此，粗选器通常在使有用产物的回收率最大，而具适当浓缩倍数的条件下运行。与作为浓缩器发挥功能的浮选装置相比较，作为粗选器发挥功能的浮选装置通常在较高的表面气流速度和较薄的泡沫厚度下运行。
作为供料流102被吸取进粗选罐的藻悬液，可取自藻生长的来源处，包括天然存在的湖泊或池塘，或者也可取自其它一些来源处，包括精作模式和粗放模式的池塘。如前面所述，需要时可对悬液作预处理，以便使细胞破裂或对盐水作机械过滤。活细胞，完整的细胞或破裂的细胞，或者各种的组合物，都可以提供给粗选罐。如果预先没有实行破裂步骤，粗选器的运行应该使粗选罐内所供给的绝大多数细胞破裂。
形成的气泡和藻的凝集体浮到气体和液体悬液的表面，在这里它们聚集成浓缩的泡沫。浓缩物溢出粗选罐进入收集洗涤器122，然后进入贮液罐，如图11 252所示。来自粗选罐的底流液118可以再循环至盐水来源处，弃去，或者还可以通过一级或几级并联排列的浮选装置进一步处理。
2.浓缩
从粗选区94作为粗选罐100溢流流出的藻悬液104，通过一级或几级显示为串联连接的浓缩罐106，124，和108，使之进一步富集类胡萝卜素。浓缩区的目的是为了产生可回收富集胡萝卜素的藻浓缩物。藻细胞被浓缩在浮在每个浓缩罐上面的泡沫中。来自浓缩罐106和124的表面溢流对下一级浓缩罐提供进料流。其底流液通常再循环至对前一级浓缩罐的供料流中。通过用本发明的方法浮选，通常可达到至少约2000ppm的类胡萝卜素浓度。
浓缩区可以只有单个泡沫浮选罐，或者也可以包括多个浮选罐，以串联或并联方式接受供料流。来自浓缩罐的底流液，依据底流液中类胡萝卜素的浓度，或者弃去，返回粗选区，返回前一级浓缩罐，通过一个或几个以串联或并联方式排列的精选罐，或者不作处理。
3.精选
在精选区98内，收集否则将在底流液中丢失的类胡萝卜素，使产品的回收率达到最大。使来自精选区的浓缩物126再循环至浓缩区，而来自精选区的底流液通常被弃去或者返回到盐水来源处。精选区可以是单个泡沫浮选罐，或者也可以包括多个以串联或并联方式接受供料流的浮选罐。
图6中所显示的是，包括以串联方式连接的三个精选罐114，128和116的精选区98。对精选罐的进料提供如前面所述。分别来自精选罐114和128的底流液130和132，以串联的方式对下一级精选罐提供进料流。来自每个精选罐的表面溢流液126对浓缩区提供进料。
D.机械和气动力浮选室概述
适合的泡沫浮选装置包括可购得的用于使气体和液体接触的设备。可将这些也被称为“室”的装置分为二大类，机械浮选室和气动力浮选室。机械浮选室一般包括转子和定子的机械作用，用于分散气体，并提供气泡和藻体的有效接触。在机械浮选室内，旋转的叶轮当以足够的速度运转时产生切变应力场，使藻体在其中破裂。如果叶轮以足够的速度运转，则不需要单独的破裂步骤。
气动力浮选室以此浮选装置内不存在旋转的叶轮而最容易区别于机械浮选室。在气动力浮选室内，仅通过加入气体引起气泡和藻体碰撞，没有任何转动部分。一般在气动力浮选之前需要一个破裂步骤。但是如下面所述，当气动力浮选室在适合的条件下运行时，那么可在室内使藻体破裂。后续的气动力浮选室可作为浓缩器和精选器而运行，不需要以类似上面的条件运行，因为藻体已经破裂。
气动力浮选室和机械浮选室都可用于泡沫浮选环路的任何位置，或者全都用一种浮选室，取决于设备的性能和分离的目的。但是，气动力浮选室一般比机械浮选室优越。与机械浮选装置相比较，对于给定的设备容量和能量输入，气动力浮选装置可获得较高的回收率和生产能力，这样通常可导致基本投资和运行成本降低。气动力装置可用价廉的轻塑料制造，可进一步节省费用并便于移动。这些优点及其它方面将在下面进一步论述。
在此所述的机械的和气动的浮选室有几个共同的运行参数，包括气相表面速度Jg；气体与供料液之比；在浮选装置内的液体保留时间；浮选辅助剂的用量；浮选气体的性质。几种设计参数对各种泡沫浮选装置也是共同的，包括收集区纵横尺寸比；分离区纵横尺寸比；相接触的方法，包括同向并流，相对流动，交叉流动和机械混合；从浆液中分离气泡和藻凝集体的方法；以及产生气泡的方法。
泡沫浮选装置的性能，可根据泡沫中类胡萝卜素的浓度和类胡萝卜素的回收率作定量鉴定。有几个几何参数和运行参数对每种类型的泡沫浮选装置是特定的，但是上述主要参数对在此所述浮选法的全部范围是共同的。
1.机械浮选室
机械浮选室134的流体动力学特征显示在图7中。机械浮选室通常采用转子和定子机构136，用于吸入气体，产生气泡，以及提供使气泡和藻体碰撞的液体循环。被称为“纵横尺寸比”的容器高度与直径之比通常为大约0.7-2。通常是4个或更多一点类似于图7中的浮选室134，每个都具有安装在中心的转子和定子机构136，将它们以串联方式排列，以便基本上接近完全混合，并因此使液相短路达到最小。通常还安装一台辅助气压机，以便对浮选室提供足够的气流。
机械浮选室内，收集区150和分离区152是分别在同一个容器内。如果需要，可将机械浮选室密封，以便于运转和气体再循环，所述气体基本上不含氧化类胡萝卜素。
借助于用作气泡发生器的旋转叶轮138，气体被分散成小气泡。旋转的叶轮产生一个低压区，吸引气体通过吸管148流入收集区150，在此气体被分散成小气泡，并且当它从室底部开始循环时，而与藻悬液混合。
藻悬液通过供料箱141作为供料流140进入机械浮选室。由旋转叶轮产生的涡流引起气泡和藻体接触。气泡和藻的凝集体从收集区150出来，进入分离区152，此区是相对静止的，在此凝集体浮至表面，与液相分开。
借助于重力气泡和藻的凝集体与液相分开，并且作为浓集类胡萝卜素的泡沫聚集在浮选室顶部泡沫区154中。浓集类胡萝卜素的泡沫作为藻浓缩物流144被取出。正常情况下泡沫在室上部浮流进入收集洗涤器。另一种方法是，可借助于机械手段如用泡沫叶片抽取泡沫。使液相再循环进入收集区，最后作为没有藻细胞的盐水底流146退出浮选室。
适当设计的转子和定子机构能吸入适当量的气体，将它分散成小气泡，并使气体与液体混合，实现藻体和气泡之间的充分接触。为了提供高效率的气泡和藻体碰撞以及良好的浮选性能，在二相混合区内良好的混合和足够的液体保留时间是必要的。
在机械浮选室内，Jg被定义为容积气体流速除以平行于泡沫和液体界面的浮选室横截面积。当Jg值增加时，液相内气体容纳量增加，而泡沫减少，可能导致较快的浮选动力学过程，但是降低了在无气体的基底泡沫中类胡萝卜素的浓度。为了从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，Jg值的范围是大约0.1-5cm/s。通常更典型的Jg值是约2cm/s-4cm/s。
液体保留时间被定义为机械浮选室内分散的容积除以容积液流速度。较长的保留时间，可获得泡沫中较高的类胡萝卜素回收率。为了从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，连续运转时的保留时间范围是大约3-12分钟。通常更典型的是保留时间大于5分钟。
小的气体与供料比率的优点是可减小机械浮选室中设备的容积和气压机的费用。为了从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，气体与供料之比的范围是约5-20。通常更典型的气体与供料之比是约5-15。
叶轮顶端的速度影响气泡的大小以及通过收集区的再循环速度。当顶端的速度增加时，气泡体积减小，通过收集区的再循环速度增加。但是，较高的顶端速度将导致较大的机械磨损和为了驱动叶轮较高的动力需求。在高顶端速度下，气泡和藻的凝集体可能裂开。为了从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，顶端速度的范围是大约每分钟900-2500呎。通常更典型的顶端速度是约1500-1800呎/分钟。约每分钟1500呎以上的顶端速度可用于破裂这种藻细胞体。
对于机械浮选室有四个基本的几何参数。这些几何参数是1)转子浸没深度与液体深度之比，2)罐直径与叶轮直径之比，3)液体深度与罐直径之比，4)转子和定子机构的设计。为了从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，转子浸没深度与液体深度之比的范围是大约0.7和0.75。罐直径与叶轮直径之比的范围是约1.5-5.5。更常使用的罐直径与叶轮直径之比是大约2。液体深度与罐直径之比的范围是大约0.6-0.9。更典型的液体深度与罐直径之比是大约0.8-0.9。
转子和定子机构可用如下公司生产的Dorr-oliver Incorporeted ofMillford，Connecticut；作为Svedala of Colorado Springs，Colorado分部的Denver Equipment Company；犹他州盐湖城的Wemco Products；以及Outomec Oy of Espoo，Finland。
2.气动力浮选室
气动力浮选室有几个方面不同于机械搅拌的浮选室。可借助于本领域已知的任何非机械手段在气动力浮选室内产生气泡。可通过多孔管喷射，小孔板，文氏喷射管或静电混合器产生气泡。当使用静电混合器时，通常是使起沫剂溶液同气体混合。
某些气动力浮选室比机械浮选室产生更小的气泡。因此，在气动力浮选室碰撞频率可能较高，浮选所需要的保留时间普遍较短。
与机械浮选室相比较，气动力浮选室，特别是浮选塔，通常具有较高的纵横尺寸比。对于气动力室，容器高度与直径之比一般较大。气动力装置可能在较深的泡沫床上运行，使之可增加排放时间，并具有较干较浓的泡沫。可将洗涤水加到泡沫中以便提高产品纯度，因为通常容器的高度比容器的直径更大。
气动力浮选室优于机械浮选室的另一个优点是，重量较轻，材料和构建的成本较低。气动力浮选容器可用价廉的轻塑料构造，由于没有叶轮和驱动器使重量和成本进一步降低。因为不需要装配机械的转子和定子用于产生气泡和促使气体与液体接触，与机械浮选室相比较，气动力浮选室的基本投资和运行成本可能明显比较低。
一般来说，气动力浮选室作为浓缩器时，可能以收集限制状态或携带能力限制状态运行。对于收集限制状态，微粒收集速度受气泡和藻体间的碰撞次数限制。对于携带能力限制状态，气泡表面已被藻物质饱和。因此，微粒收集速度受塔内气泡表面积增加速度的限制。有利的状态是产生其表面积接近被藻物质饱和状态的泡沫，因为这样适合于使送往回收处理的盐水容量减到最小。
参照图5，需要时可对供料液作机械或化学处理，使藻体更易上浮。在气泡发生区内，借助于气泡发生器使气体分散成小气泡。对于泡沫浮选装置，气泡发生器可以是内置的，或者是外置的。内置气泡发生器的例子是多孔管喷射器。外置气泡发生器的例子是静电混合器，其中是使气体与起沫剂溶液混合。
气泡和藻悬液供料进入收集区，在此气泡和藻体发生碰撞，形成气泡和藻的凝集体。可借助于气相和液相的相对流动或平行流动，或者借助于气动力混合实现气泡和藻体的碰撞。凝集体通过分离区上浮至液体和泡沫的界面，并进入泡沫区，在此气体容量迅速增强。
使泡沫与洗涤水接触，以便使携带的疏水微粒和供给的水与泡沫中的藻体分离，使富集生物量的泡沫离开此装置。液体成为没有生物量的底流液从装置的底部流出。
空气或惰性浮选气体，在气动力浮选装置内可容易地再循环使用。通过对收集槽加盖可使气体再循环使用。为了产生小气泡，可将起沫剂加到液相或气相中。
有几种可获得的气动力浮选装置，可用于本发明从盐沼杜氏藻中使藻体脱水并回收类胡萝卜素。这些装置中有的是具有纵横尺寸比大于1的塔，它具有上述气动力装置的许多优点。下面将对某些气动力浮选室及其在本发明中的用途进行论述。
气动力浮选室包括导气浮选室和空气喷射水力旋转器，或称为“ASH”。在导气浮选室中，借助于使液体和气体通过室底部的喷射管，将气体分散到液体中。ASH利用气体通过多孔壁转移而产生泡沫，上浮流出。
a.Jameson室
图8中显示一个单独的下导管式Jameson室156。在美国专利号5,188,726；5,332,100；和4,938,865中描述了Jameson室，在此将这些专利的内容全部引入作为参考。用于本发明从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，在Jameson室产生的泡沫中，在无气体的基础上这种藻类物质的含量为约60ppm至重量的13％。
Jameson室主要由二部分组成。第一个组成部分是下导管(downcomer)158，它通常是一个直径约100-280mm，长约3m的竖筒。第二个组成部分是立式罐(riser)160。此立式罐是一个下导管向其中排液的槽。立式罐的直径一般比下导管的直径大得多。按另一种方式，多根下导管可能在同一个立式罐内排放。
Jameson室的下导管相当于收集区86(图5)，一般具有纵横尺寸比约10-30。立式罐包括分离区88(图5)和泡沫区90(图5)，它的纵横尺寸比通常是约0.5-5。相接触方法是在下导管内向下的多相平行流。在立式罐内气泡和藻的凝集体借助于应力与没有藻细胞的盐水分离。通过高速喷射使气体在液相中传送和分散，结果在下导管内产生气泡。
供料藻悬液通过管道162进入下导管的上端，通过小孔板164形成高速液体喷射。由于下导管上部空间的压力低于大气压，气体通过管道168被吸入下导管的上部空间166。喷射流冲击下导管的液面，使气体传输进入液相。借助于由喷射流动量扩散产生的高速度梯度，输入的气体被分散成小气泡。气体和液体通过下导管在二相流中转移。二相流在竖直管内紧靠平行向下的堵塞流，导致气泡和藻体相互碰撞而形成气泡和藻的凝集体。然后多相分散体由下导管底部进入立式罐内。
Jameson室运行时，使立式罐内液体平面170稍高于下导管的末端172，以例保持一个液体封闭层。在立式罐内气泡和藻的凝集体与盐水分离开。凝集体上浮至立式罐的表面，在此它们聚集成泡沫层174，在罐上部浮流进入收集洗槽176。没有藻细胞的盐水在罐下部形成底流178。
立式罐的深度可按要求使泡沫中产物的回收和浓度达到最佳状态。对于具有直径小于约500微米的非常小的气泡，为了避免凝集体吸入底流178，立式罐可能需要较深。为了高回收运行，泡沫层深度可低至50mm，但是一般的深度范围是约300-800mm。可对泡沫层加入洗涤水180，以便提高浓缩物的纯度。Jameson室可以以空气运行，或者可以密闭，以使类胡萝卜素降解最小的气体运行。
一般情况下，Jameson室的运行条件，特别是立式罐表面的气体速度Jg，随所要求的功能类型不同而改变，如粗选，精选，或者净化处理。
Jameson室的Jg被定义为立式罐内表面气体速度，等于容积气体速度除以平行于泡沫和液体界面的立式罐横截面积。所选择的室Jg应能对立式罐内的气泡和藻的凝集体提供足够的分离作用，并保证泡沫的稳定性。Jg最大值是在泡沫涌入时，此时分离区和泡沫区内气体容量值相等，导致界面消失。在室内充满之前，在较高的Jg值下可能引起气泡和藻的凝集体相当多地输入底流178，表示回收率的损失。最小的Jg值取决于产生稳定泡沫的需要。如果气体速度太低，泡沫可能瓦解，导致在立式罐160内凝集体相当多地再输入分离区。
立式罐的表面气体速度取决于系统的特性和所选择的功能类型。为了以粗选器的功能使盐沼杜氏藻脱水，Jg值的范围是约0.1-1.0cm/sec。作为粗选器更典型的Jg值是大约0.3-0.5cm/sec。为了以浓缩器的功能使盐沼杜氏藻脱水，Jg值的范围是约0.05-0.5cm/sec。作为浓缩器更典型的Jg值是大约0.1-0.35cm/sec。
据信这种相当低的表面气体速度，至少部分原因是由于这种藻内存在表面活性剂。高浓度的表面活性剂可以在较低的Jg值下引起泡沫涌入。出乎意料的是，浮选类胡萝卜素要求如此低的Jg值。更出乎意料的是，这种藻内天然存在的起沫剂具有足够的浓度和表面活性剂能力，甚至在以NaCl饱和的盐水中也足以促进对类胡萝卜素的浮选。
Jameson室内下导管的表面速度可从供料流速度和下导管的横截面积计算出。下导管的保留时间是一个密切相关的参数，被定义为下导管的容积除以容积供料速度。这二个参数的数值都直接影响设备的生产能力和性能。较长的保留时间，也意味着具有较低的表面速度，有助于提高藻细胞的收集效率，因此而提高对泡沫中类胡萝卜素的回收率。短的保留时间和高表面速度可增加塔柱的生产能力。
为了从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，下导管的表面速度范围是大约0.1-0.4m/s。保留时间的变化范围是约9-30秒。为了从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，在作为粗选器和精选器功能时的Jameson室中，下导管表面速度和保留时间值一般分别为约0.15-0.3m/s，和10-20秒。对于作为浓缩器功能时的Jameson室，下导管表面速度和保留时间值分别是约0.1-0.2m/s，和15-25秒。
气体对供料液的比率被定义为气体容积流速与液体容积流速之比。降低Jameson室中气体对供料液的比率，对塔柱产生稳定化作用，因为可形成具有大小分布更一致的更小的气泡。当气体对供料液的比率增加时，则产生具有较小比表面积和较宽大小分布的较大的气泡。最后形成了对抗向下液流的大气泡。
为了从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，对于粗选，精选，和浓缩器功能的Jameson室，气体对供料液的比率范围大约是0.3-0.9。对于二种应用更通常的气体对供料液的比率是约0.4-0.7。
下导管入口处供料流的压力决定了喷射的速度。为了从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，如果先用机械预处理使藻体破裂，并使它们更易上浮，则供料流压力可在大约20-60psig内变化。更通常的数值范围对于粗选和精选功能的是约50-60psig，对于浓缩器功能的是约20-25psig。
为了从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，对于粗选，精选，和浓缩器功能，喷射的速度范围是大约8-25m/s。对于粗选和精选器功能更通常的速度范围是大约10-20m/s，对于浓缩器功能是大约8-15m/s。
Jameson室的二个设计比率是下导管直径对喷嘴孔径之比，和立式罐直径对下导管直径之比。为了从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，下导管直径对喷嘴孔径的比率范围是大约7-13。约8-10的比值更常见。为了从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，立式罐直径对下导管直径的比率范围是大约2-10。大于约5的比值更常见。
还可能在较高的供料流压力下运行Jameson室，使之不需要单独的破裂步骤。以高供料压力运行Jameson室，以便在喷射孔内使藻体破裂，而不需要为了使藻体更易浮选进行任何机械的或化学的预处理步骤。高压范围可规定为大于60psig的供料压力。一般情况下，为了使细胞破裂，Jameson室是在约150-300psig的供料压力下运行。
通过在喷射管内安装一片比通常更小的小孔板，可使Jameson室在大于60psig的供料压力运行。但是，高喷射速度常常会使产生的气泡太小而不能在立式罐中分离出，导致气泡和藻的凝集体被送入底流178中(图8)。当在这种高供料压力下运行时，可能有必要安装一个扩散喷雾嘴或隔板，以便偏转向下的喷射动量。
喷射流在下导管的上端通过喷嘴的速度，可从Bernoulli公式计算出。喷射流由三个区间组成自由喷射流(free jet)，堵塞喷射流(Plunging jet)和混合区。当供料流通过小孔板进入下导管时，供料流是处于自由流的形式。自由喷射流在上部空间形成一个低压区，并将气体运送到喷射流表面。喷射流在此冲击液体表面的区域被称为堵塞喷射流，在此气体被运送进入液体。在液面下的混合区中，喷射流的动量被耗散了。形成的高速度梯度使送入的气体分裂成小气泡。
b.多级环流浮选(MSTLFLO)塔
多环环流浮选塔182被显示在图9中。MSTLFLO是一种改进的气泡塔，由如下几部分组成用于将气体导入塔底部的喷雾器184；一串安装在塔内的直立的具隔板吸取管186，188和190；分别位于吸取管186，188和190顶部的隔板192，194和196，可形成适合的流体动力学状态；供料分配器198；以及收集洗槽200，它也是同心地安装在塔柱上。在1995年“分离技术”第5卷，题目为“用于废水处理的多环路浮选塔”的论文中，D.X.He，F.X.Ding，H.Hu，and S.H.Chiang描述了这种MSTLFLO塔。在此将Heetal的此论文全部引入作为参考。
MSTLFLO塔的主要设计特征是多级吸取管的排列。来自管道185的气体在塔底部的吸取管内形成喷雾，导致与吸取管和塔壁间的环形区202内相比较，吸取管内部具有较高的气体容量。这种气体容量差异造成了一种循环模式。气体和液体的分散相向上流进作为立式罐功能的吸取管内部的区域204，并向下流进作为下导管的环形区202内。下导管内的气液流靠近向下的多相并行堵塞流。使轴向混合减少的环流流体动力导致形成了较一致的气泡大小分散。与也称为加拿大塔的传统的气泡浮选塔相比较，MSTLFLO塔的浮选动力学有所改进，前者不包括吸取管。气泡塔被显示在图10中。去掉吸取管可将MSTLFLO塔转变成气泡塔。
收集区86和分离区88(图5)分别在MSTLFLO塔的相同容器内。此容量具有大于5的纵横尺寸比。尽管不希望被理论所局限，但是可以认为MSTLFLO塔内的收集区域是各吸取管的下导管和立式罐，在其中存在多相并行堵塞流。该塔的分离区是在供料分配器198的上面，和气液界面的下面。凝集体收集在泡沫和液体界面上的泡沫区中，上浮流进塔的收集槽200中。泡沫瓦解后形成浓缩的藻悬液，可通过管道206流出。经回收而没有藻细胞的盐水从塔底部通过管道208作为底流排出。
在MSTLFLO内，表面气体速度Jg被定义为容积气体流速除以塔柱的横截面积。当Jg增加时，多相分散体内气体容纳量也增加，导致较高的藻体回收效率。但是，随着Jg增加，泡沫中的气体容纳量减少，因为上升的气泡携带更多的水进入泡沫。当接近Jg最大值时，泡沫内和气液分散体内气体的容纳量成为相等，导致塔被充满，界面丧失。
为了从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，Jg值的范围是约0.1-1.0cm/s。更通常的值是大约0.2-0.5cm/s。出乎意料的是，浮选类胡萝卜素要求如此低的Jg值。更出乎意料的是，这种藻内天然存在的起沫剂具有足够的浓度和表面活性剂能力，甚至在以NaCl饱和的并存在其它离子的盐水中，也足以促进对类胡萝卜素的浮选。
液体保留时间被定义为MSTLFLO塔的容积除以容积液体供料速度。长保留时间可在泡沫内获得类胡萝卜素的高回收率。短保留时间增加塔的产生量。为了从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，按收集限制方式，液体保留时间的范围是约2-20分钟。按携带能力限制方式该保留时间大于20分钟。
在MSTLFLO塔中，应用低气体对供料液比率的优点包括减少设备容量和气体压缩的费用。用于从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，气体对供料液体比率的范围是大约0.10-1.5。更通常的比率值是约0.2-0.8。如此低的气体对供料液比率是令人吃惊的，对类胡萝卜素的浮选是有利的。
在惰性气体二氧化碳，氮，氦或对类胡萝卜素氧化作用最小的惰性气体下运行MSTLFLO塔可能是有益的。与用空气相比较，用二氧化碳可改善浮选的动力学。
多级吸取管是用于减小塔中的轴向混合，使短路减到最小，因此改善塔的性能。用于从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素，级数范围是约1-5级。通常使用的都多于1级。
用于从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素的吸取管直径对塔柱直径的比值范围是约0.5-0.9。在从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素中，更通常的比值是约0.5-0.7。
从盐沼杜氏藻中浮选类胡萝卜素可产生相当稳定的泡沫。为了容纳这些泡沫需要具有相当大横截面积的洗槽。洗槽直径对塔柱直径为2的比率可用于从盐沼杜氏藻中回收类胡萝卜素。此比率正常情况下应大于1.25。
c.加拿大塔
也被称为传统塔或气泡塔的加拿大塔被显示在图10中。气泡塔210的直径通常是约0.5-3.0米，高度约9-15米。横截面可以是方形或圆形。
供料藻悬液通过位于泡沫和液体界面124下约1-2米的管道212进入塔内，向下流。气体通过管道216进入塔底部，并且通常是借助于喷雾气218被分散成小气泡。为了使对类胡萝卜素的降解作用减到最小，可使用包括二氧化碳，氮，氦，或惰性气体在内的不活泼气体。空气一般可以作为如218所示的内部喷雾，直接注入塔底部，或者在作为外部喷雾注入之前，先使空气同水，藻悬液，起沫剂溶液或它们的组合物接触。内部喷雾器通常由覆盖织物如滤布的多孔管，或者由多孔橡皮装配成。
气体和藻悬液的逆向流动导致气泡和藻体在收集区86(图5)内碰撞，收集区被定义为在供料分配器222(图10)下面的区域。对于此塔分离区是在供料分配器222的上面和泡沫与液体界面214的下面。凝集体收集在泡沫和液体界面上面的泡沫区内，在塔上部浮流进入收集洗槽226。泡沫瓦解形成浓缩的藻悬液，通过管道228流出。没有藻细胞的盐水在塔下部成底流220。
这种塔可在任何所希望的泡沫深度下运行，虽然在实施中通常所用的泡沫深度范围是50-100cm。为了从藻体生物量中分离出所携带的亲水颗粒，可对泡沫加入洗涤水，如224所示。为了达到最大的净化效果，这种塔一般在正偏压下运行，这意味着存在一个通过泡沫的净向下水流。此偏压水流通过底流离开塔体。底流的流速应该大于供料流速，以便保持泡沫和液体的界面水平。
d.空气喷雾水力旋流器(ASH)
为了根据本发明从盐沼杜氏藻中回收类胡萝卜素，对于ASH单元在无气体的基础上，泡沫中藻浓缩物的含量范围按重量是大约0.001％-0.3％。ASH由一个具有多孔壁的园柱形水力旋流器组成，由一个切向供料入口对此水力旋流器供料，通过多孔壁压缩气体进入此单元内。倾斜的泡沫底管位于此旋流器基部，这样可使底流的横截面积易于改变。不同直径的涡流探测器都可用于控制泡沫移出的速度。
供料液在旋流器顶部沿切线方面进入ASH单元，并在从底部通过开放的环形底流流出之前，沿着螺线形路径流动。通过使气体通过多孔板产生气泡。藻体和气泡间的碰撞发生在外涡流区内，此区确定为收集区86(图5)。当液体向水力旋流器底部流动时，气相和液相以交叉流动方式相互接触。在分离区88(图5)内，应用离心力使气泡和藻的凝集体从已没有藻细胞的盐水中分离出，可把内外涡流之间的不明确区域看作是分离区。气泡和藻的凝集体被转移至泡沫区90(图5)，形成内涡流向上运动，从旋流器顶部排出。
对于ASH单元，Jg被定义为通过膜的容积气体流速除以膜的横截面积。用于从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素的Jg值范围为约0.7-6cm/s。更通常的Jg值是大于约3cm/s。
对于ASH单元，液体保留时间被定义为ASH单位的容积除以液体容积流速。用于从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素的保留时间范围是大约1-10秒。
用于从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素的气体对供料液的比率范围是大约0.4-6。更通常的比率值是大于3。
e.EKOFLOT气动力浮选室
将供料藻悬液80(图5)泵至塔的顶部，通过作为气泡发生区84(图5)的文氏喷射管装置。将气体输入藻悬液，形成的混合物向下通过供料管，在此绝大多数气泡和藻体发生碰撞。这种供料管具有收集区86(图5)的功能。含有气泡和藻凝集体的液体和气体分散体，流过分配器进入分离区88(图5)，它是在一个单独的容器内。凝集体上浮至表面，在此它们聚集成泡沫区90(图5)。已没有藻细胞的盐水在容器下部作为底流92(图5)流出。
泡沫收集器象一个倒置的园锥体，可以上升和下降，改变泡沫区的大小，以便达到最佳分离。可使泡沫与洗涤水接触，以便提高产品纯度。经净化的泡沫从容器的上部流入收集洗槽，在此作为浓缩物被取出。在分离区内保留时间的范围是2-3分钟，类似于在Jameson室内的保留时间。但是，在Jameson室下导管中的保留时间通常是约5-10秒。在EKOFLOT容器的通气装置内保留时间是在毫秒的数量级。在EKOFLOT室的通气装置内气泡和藻体发生碰撞，可被认为是收集区。
f.MicrocelTM微气泡浮选塔
在美国专利号4,981,582和5,167,798中描述了MicrocelTM塔，在此将它们的内容全部引入作为参考。MicrocelTM塔由地处Pennsylvania州Pittsburgh的ICF Kaiser工程公司制造。这种塔由如下各部分组成位于塔底的通气区；通气区上面的单向隔板，它允许微小气泡上升进入液体，但阻止固体沉降进入通气区；收集区；以及泡沫区。供料藻悬液80(图5)从泡沫和液体界面的下部进入塔中，向下流动。气体82(图5)借助于微小气泡发生器在塔外部分散于液体中，微小气泡发生器的功能是作为气泡发生区84(图5)。适合的液体包括供料藻悬液80，底流液92，泡沫发生剂溶液，或它们的组合液。微小气泡由这种外置的喷雾器产生，气泡大小范围50-400微米。然后微小气泡被导入通气区。
用于发生微小气泡的液体通过出口排出已没有气泡的通气区，并通常再循环至微小气泡发生器。微小气泡通过单向隔板离开通气区，在这里它们进入位于供料分配器下面和通气区上面的收集区86(图5)。因为气泡的体积小，在收集区内流动基本上是静止的，导致藻悬液和微小气泡的有效逆向对流接触。已没有藻细胞的盐水通过单向隔板中的出口作为底流液流出。气泡和藻的凝集体通过收集区上升，聚集在泡沫区内。可对泡沫加入洗涤水，以便从藻生物量中分离出携带的亲水性微粒。富含类胡萝卜素的泡沫从塔上面流入收集洗槽，作为浓缩物从这里流出。
微小气泡发生器由一系列小叶片组成，小叶片被安装成能使液体频繁地改变方向。类似于静电混合器的设计。液体以相当高的速度被泵吸通过混合器，同时在液体进入混合器之前，将所需量的气体定量输入液体管道。液体切变力使气体分散成微小气泡。应用这种技术，可产生在1体积的基础上含有大于50％气体的微小气泡悬液。
g.其它浮选装置
除了上述特定的机械和气动力浮选装置之外，还有很多应用本发明原理的浮选装置在此不逐一叙述。其它的这种装置与上述装置的差别主要只是在细节上，如它们具有不同的几何外形，或者采用不同的方式使气泡和藻细胞体接触，使相分离，或产生气泡。
无论选择气泡吸附分离技术，深床过滤法和微过滤法的何种组合形式，考虑到包括经济因素在内的许多因素，都应该将藻悬液浓缩到能提供最具吸引力方法的水平。从未浓缩的藻悬液中作成分提取是不实际的，因为需要大体积的容器供悬浮与溶剂接触，或者是因为需要大量的溶剂。深床过滤，气泡吸附分离和微过滤可以联合使用，单独使用，或者与其它技术联合使用，用于使藻悬液脱水达到所希望的便于提取，经济节约的浓度。
E.优越的泡沫浮选环路
将气泡吸附分离技术，特别是泡沫浮洗技术用于回收类胡萝卜素的目的之一是为了产生具有尽可能最高浓度类胡萝卜素的泡沫。任何泡沫浮选装置都可能用于浮选环路中的任何部位。但是，上述的泡沫浮选法在泡沫中浓缩类胡萝卜素的能力不一定相等。下面将参照图11描述一个用于使包括盐沼杜氏藻的藻类脱水的简便泡沫浮选环路。Jameson室被用作粗选器230和第一级浓缩器232。MSTLFLO塔被用作第二级浓缩器234，其以串联方式连接于Jameson室浓缩器232。如前面所述，为了便于获得藻供料液，这种Jameson室和MSTLFLO塔可安装在浮箱，拖车，或其它易移动的装置上。
如图11中所示，盐水中盐沼杜氏藻的供料液流236是从其来源处获得。此来源可以是天然存在的，包括犹他州大盐湖或者粗放模式或精作模式的池塘。供料液流可如前面所述通过使用离心泵获得，所述泵可以是一种易浮移的泵。供料液通过泵238微吸取至Jameson室粗选器230的供料入口240。
在供料液进入Jameson室粗选器之前，在如前面所述的泵环路或通过其它机械作用使藻体破裂。
泡沫被收集在收集洗槽248中，然后被瓦解并按常规吸出，或者通过泡沫泵250泵吸至贮存罐252贮存，作为对Jameson室浓缩器232的富含类胡萝卜素的供料液253。底流液254可被弃去或返回来源处，或者按前面V.C关于浮选环路的更概括论述中所述的进行处理。
将富含类胡萝卜素的供料液流253通过供料入口256泵吸至Jameson室浓缩器，并在Jameson室中被分离。一般可产生比粗选器230中更干的泡沫。富含类胡萝卜素的液流258被贮存在对MSTLFLO塔浓缩器234供料的贮存罐260中。底流液262按类似于粗选器底流液的方式处理。
富含类胡萝卜素的供料流264从贮存罐260被泵吸通过供料入口266对MSTLFLO浓缩塔234供料，并如前面所述在其中被分离。产生了进一步浓集类胡萝卜素的更干的泡沫，被收集贮存于贮存罐268内供进一步处理。进一步处理可包括前面所述的微过滤，以便使藻体进一步脱水，或者借助于下面所述的任何一种方法进行提取。
如前面所述的微过滤器270以及后面紧随的浓密气体提取单元272也被显示在图11中。微过滤增加类胡萝卜素浓度超过泡沫浮选环路1个数量级，达到在保留液流274中约20000ppm，此浓度适合于浓密气体提取。渗透液流276是废盐水液，可被弃去或者返回获得供料液的湖泊或池塘，取决于是否有化学添加剂存在于废盐水中。
保留液流274作为供料流被泵入浓密气体提取单元272。在此所用的浓密气体是二氧化碳，将此气体按被认为是技术人员熟知的方式，以对供料液流逆向流动供气，在下面关于浓密气体提取中将进一步论述。来自浓密气体提取单元的底流278是提取残余液，是已没有类胡萝卜素的废液，可弃去，或者按照下面VI中关于从已提取出类胡萝卜素的细胞团块中提取产物的论述，作进一步处理。
来自浓密气体提取单元的提取物280，在塔上部流动，并使其膨胀进入分离器282，以便从浓密气体中分离出混合类胡萝卜素产物。混合类胡萝卜素作为底流284排出分离器。浓密气体286从上部排出分离器，并通过压缩机再循环进入浓密气体提取单元的底部。混合类胡萝卜素产物可如下所述作进一步处理，以便回收特定的类胡萝卜素。
VI.从浓缩的藻悬液中回收选定成分
返回到图1步骤30和32，可应用多种溶剂，借助于几种提取技术中的任何一种，从浓缩的藻悬液中回收类胡萝卜素。可从如下技术中选择提取方法液/液提取法；固/液提取法，也被称为浸提；液/液/固提取法，是一种三元相提取，其中在固体物质存在的情况下形成了二个不混溶的液相；以及浓密气体提取法，如上面所述。
任何在浓度大于约100ppm下与水不混溶的有机溶剂，应该都适用于从盐沼杜氏藻盐水悬液中提取类胡萝卜素。应该是一种至少不会有害地改变类胡萝卜素物理化学特征的有机溶剂。溶剂可选自合成的和天然的香味剂(flavorants)，食用油，石油化学产品，浓密气体，以及它们的组合物，只要结果能形成一个具有二元或多元不混溶相的系统。但是，鉴于下述的各种原因，其中某些溶剂比其它一些溶剂更理想，并且所获得的结果也不一定等同。
石油化学溶剂一般都具有低粘滞性，溶剂分子的扩散性也适合。类胡萝卜素在石油化学溶剂中通常是高度可溶的，有可能实现浓缩提取。石油化学溶剂包括脂肪烃如己烷，戊烷，辛烷，石油醚，环己烷，二氯甲烷，甲醇，乙醇和其它低沸点醇；芳香族化合物包括苯和甲苯；以及其它许多石油化学溶剂，不逐一列举。如果需要还可应用石油化学溶剂的组合物。
但是，应该意识到，作为用于提取制备营养补充物类胡萝卜素的溶剂，普遍认为石油化学溶剂是不理想的。正常情况下借助于层析法，溶剂的残留至少在某种程度上是可以除去的。然而，使用来源于石油的化合物处理营养补充物，并且在营养补充物内存在石油残留物，这对于许多人是不能接受的。
从营养的观点食用油优于石油化学溶剂。食用油可从植物或包括鱼油的动物来源获得。食用植物油溶剂包括玉米油，橄榄油，大豆油，红花油，葵花油，和其它多种油。如果需要可使用食用油的组合物。
但是，与石油化学溶剂相比较，食用油一般比较粘稠，并且此溶剂的分子扩散性也较低。正常情况下类胡萝卜素在食用油内仅有有限的溶解度，没有可能改变类胡萝卜素化学和物理特征的处理步骤，包括采用过度加热，就难以达到浓缩提取的目的。
与石油化学溶剂和食用油相比较，合成的和天然的香味剂通常较理想。对于营养补充物天然来源的香味剂具有吸引力。被“香料和提取物制造者协会”，或称为“FEMA”，定为“一般认为是安全的”或“GRAS”的香味剂，对于营养补充物没有石油化学溶剂的缺点。与石油化学溶剂相比较在营养补充物中存在残留的香味剂溶剂一般是可以接受的，这样可降低下游程序中纯化和回收的成本。可以选择与石油化学溶剂的沸点，粘滞性和分子扩散性相当的香味剂。
适合于本发明的香味剂包括例如，具有包括如下羧酸成分的甲酯，乙酯，丙酯，丁酯，异丁酯，苄基酯，和辛酯乙酸，乙酸(ethanoate)，丙酸，丁酸，己酸(hexanoate)，己酸(caproate)，庚酸，辛酸，癸酸，肉桂酸，和异戊酸。其它香味剂的例子包括，但不局限于苯甲醛，其它醛类，苎烯，和其它的萜烯类。如果需要，也可使用香味剂的组合物。
典型提取步骤的工艺流程图被显示在图12中。在溶剂提取的起始步骤300中，使浓缩的藻悬液与溶剂相接触。类胡萝卜素从盐水中被转移至第二液相中，这就是提取液或溶剂相，提取过程通常导致形成二相和一个残片层，如步骤302中所述。藻残片层位于粗提取物相和提余液相之间，粗提取物相含有类胡萝卜素和溶剂，提余液相富含盐水，并通常含有微量类胡萝卜素，藻残余物中一般富含叶绿素，甘油，磷脂和蛋白质，可弃去或者根据步骤310进一步处理，回收这些成分。
提取可分批进行或连续进行。已证明批量提取法是有益的。将有机相和水相充分振荡，以致使基本上全部类胡萝卜素都被提取进入有机相，然后停止振荡。使分散体沉降而形成明显的三个区，提余液层，提取物层，和残片层。可通过仔细地倾倒使此三层分开，用于进一步处理，如下面所略述。
多种提取设备可用于连续提取，包括单独和多级混合器及沉降器；离心提取器，由地处Messachusetts州Pittsfield的Robatel制造，以及由Michigan，Saginaw的Baker Perkins制造的Podbelniak；包括Karr塔，York-Scheibel塔，和旋转园盘塔的提取塔，均由地处New YorkParasippany的Glitsch技术公司制造，Kuhni塔，由Switzerland，Allschwil的Kuhni公司制造，以及组合的多孔板塔。
重力沉降对连续提取过程是有用的。虽然在离心力或重力场内可达到粗分离的目的，但重力沉降通常成本较低。加入凝结剂有助于倾析。提余液可被进一步凝结，以便回收一些外加的溶剂，可在被再循环至生物反应器之前，或返回池塘之前将它们吸出，取决于所实施的养殖类型。凝结器，液/液/固离心机，浮选室，和液/液旋流器也可用于从盐水中回收溶剂，或者使盐水再循环至浮选装置内净化。
此提取法可用于在任何预先浓缩步骤之后从盐水中提取类胡萝卜素，包括前面所述的任何浓缩步骤，或者从未处理的盐水中提取类胡萝卜素，对此提取法就是收获产品的方法。在后一种情况下，来自倾析器的溶剂再循环，可用于增加混合器中溶剂对供料液的比率。
如果需要，可对水相作预处理，以便使被提取进入有机相的叶绿素减到最小量。可在提取之前，用碱如NaOH处理含有此生物量的水相，以便使叶绿素皂化，防止它随类胡萝卜素被提取进入有机相。另一方面，为了防止叶绿素被提取进入有机相，还可将含有此生物量的水相酸化。
可在一次或几次脱水步骤之前将溶剂分散到藻悬液中。在这种情况下，可认为是提取溶剂被预分散，供料液预先进入了提取状态。例如，可在开始进行气泡吸附分离之前，将溶剂预分散到藻悬液中。
A.对成分的纯化和分离
如上面所述，使类胡萝卜素的粗提取物层与残片层和提余液层分离。为了回收有用成分的纯化制备物，可分别处理富含类胡萝卜素和粗提取物层和富含甘油和蛋白质的残片层。可回收的成分包括全反式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。用于纯化粗提取物的各种技术对技术人员应该是熟知的。
根据步骤312，可借助于一种或几种技术将粗提取物进一步浓缩，包括通过闪蒸法(flash)，蒸馏法，涂膜蒸发法(wiped filmevaporation)，短径蒸馏法(short path distillation)和分子蒸馏法使溶剂蒸发。适当选择的溶剂将使这种浓缩步骤能在低温下操作，低温下类胡萝卜素不会降解或再异构化。处理粗提取物的优选方法取决于对产品的要求。
类胡萝卜素可直接从浓缩步骤312作为固相物收集，或者根据步骤314通过溶剂交换将类胡萝卜素再分散于食用油中。需要时根据步骤316将混合类胡萝卜素产品纯化。可在提取前或提取后，以及在蒸发之前，将食用油同香味剂混合，这样可使要求量的香味剂蒸发掉，遗留类胡萝卜素在食用油中。食用油可以是动物油，或者是植物油，包括橄榄油，菜籽油，花生油，大豆油，红花油，葵花油，棕榈油，玉米油，及它们的混合物。按这种方式，基本上可免除为了产生更浓缩的类胡萝卜素悬液，用昂贵的分子蒸馏法蒸馏食用油的需要。
B.β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素
混合类胡萝卜类的食用油悬液可以作为人的营养补充物和食品着色剂销售，并可用于食品强化。另一方面，通过后续的分离步骤，包括下述的步骤，可生产具有各种类胡萝卜素不同浓度比率的产品。可借助于层析法将粗提取物纯化，再将得到的组分结晶，回收类胡萝卜素和溶剂。辅助性设备处理可包括结晶，超临界液相层析，反相层析，和高效液相层析，HPLC。
这些辅助设备的处理可生产多种产品。超临界液相层析可分离出全反式α-胡萝卜素，α-胡萝卜素的顺式异构体，全反式β-胡萝卜素，以及β-胡萝卜素的顺式异构体。反相层析可用于分离叶黄素，玉米黄质，β-隐黄质，海胆酮，番茄红素，α-胡萝卜素，以及β-胡萝卜素。HPLC可用于分离β-胡萝卜素，海胆酮，斑蝥黄质，岩藻黄质，以及虾红素，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和超临界液相层析联合，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，全反式β-胡萝卜素，和9-顺式β-胡萝卜素。
通过在活化的氧化铝柱上分离其异构体，可制备由按重量至少40％9-顺式异构体和小于50％全反式异构体组成的高纯度β-胡萝卜素提取物。通过以非极性溶剂结晶全反式异构体，可制备由按重量至少75％9-顺式异构体组成的富含9-顺式异构体的提取物。通过从粗提取物中回收溶剂和将此类胡萝卜素再悬浮于最小量非极性溶剂中，可制备高纯度β-胡萝卜素提取物。此溶剂可选自乙烷，己烷，庚烷，辛烷和石油醚。然后使此非极性提取物通过活化的氧化铝柱，收集各组分。含有橙/红色类胡萝卜素主带的组分被首先洗脱出。收集各组分，真空下使溶剂蒸发，得到高纯度天然β-胡萝卜素产品，通常由50％全反式异构体，40％9-顺式异构体和3％其它β-胡萝卜素异构体，以及5％α-胡萝卜素和2％其它类胡萝卜素组成。在β-胡萝卜素组分之后洗脱出淡黄色类胡萝卜素，包括一些β-胡萝卜素。
可通过间歇地洗此柱，以便取出全部未被洗脱的极性类胡萝卜素，脂质，和叶绿素。高纯度天然9-顺式β-胡萝卜素制备步骤如下将高纯度天然β-胡萝卜素产品溶解于最小量温热至40℃-50℃的非极性溶剂中，以便使β-胡萝卜素溶解，然后将此溶剂冷却至-20℃，以便优先结晶全反式异构体，最后分离此固相和液相。可以重复结晶步骤，以便提高结晶和上清液的纯度。使溶剂从上清液中蒸发，得到富含9-顺式异构体的制备物，达到至少75％的重量浓度。
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，可配制成许多种产品出售。可将喷雾干燥的盐沼杜氏藻粉末掺入动物饲料。可得到各种浓度类胡萝卜素在油中悬液的产品，还可以是微囊包裹的类胡萝卜素，和用水可分散的天然混合类胡萝卜素粉末。还可以将β-胡萝卜素纯化，作为富含9-顺式异构体或富含全反式异构体的产品出售。借助于本发明的方法获得的其它类胡萝卜素，也可以被纯化，作为产品出售。
D.甘油，蛋白质和其它成分
根据步骤310对藻残渣可进一步处理，以便从中回收其它有用成分如甘油，叶绿素，和蛋白质。
可使残片层同乙醇接触而回收甘油。然后将乙醇蒸发，形成的甘油残留物可通过蒸馏纯化。还可以将甘油提取，脱色，蒸馏成为有用的产品出售。提取甘油之后留下的细胞团块富含蛋白质，干燥后可制成蛋白质丰富的藻团块，用作动物饲料。干燥之前可用水洗细胞团块，以便除去残留的盐分。
VII.实施例
提供下列实施例以便对本发明的若干内容进行说明，但不应该认为是对本发明的限制。实施例一般通过标题构成，取决于此实施例所针对的本发明特定的方面。但是应该理解到，在某一特殊标题下的一个实施例，可能说明本发明的几个方面。不应该把标题看作排除在不同标题下提供的实施例。
A.在泵环路中细胞的破裂
参照图2，如下所述，根据压力差的大小和通过此压力差的次数可估算对盐沼杜氏藻的破裂。借助于泵38将含有盐沼杜氏藻的盐水从大盐湖区的池塘34输送至Jameson室36，泵38是一台CR30-80U型Grundfos C系列多级离心泵。为了破裂藻细胞，使盐水在泵环路中再循环。由旁流管46限定再循环流量。泄流管道48用于使盐水返回池塘。旁流和泄流速度分别由阀门50和52控制。必要时改变此流速，以便在泵环路中提供需要的再循环百分数。使用节流阀42调节压力差至所需要的数值。
通过关闭阀门50，测量流经管道48的泄流速度Q4和44处的Jameson室供料流速Q5，测定了在每个排放压力下流经管道40的总的泵排放流速Q1。通过测量充满一个55加仑的桶所需要的时间，测定了泄流速度。应用如下等式计算了Jameson室供料流速在此ν是喷嘴流速，Δp近似于压力指示器54测量的供料压力，ρ是液体密度，Co是喷嘴孔系数，在此是0.61，do是喷嘴孔直径，在此是0.3125英寸。
从如下质量平衡可计算在特定排放压力下总的泵排放流速。此等式仅适用于阀门50被关闭时0旁流的情况下。
Q1＝Q4+Q5
当阀门50被打开而在泵环路中提供盐水再循环时，从如下等式可计算旁流速度
Q2＝Q1-(Q4+Q5)在此Q4和Q5已经应用上述程序测定了，Q2是通过管道46的流速。
泵环路中的再循环百分数R由如下公式给出
跨越节流阀42的压力差(Δpt)促使细胞破裂，可按如下计算
Δpt＝p1-p2在此p1和p2是分别由压力指示器56和压力指示器58测量的压力。
根据细胞计数数据测定了在此过程中被破裂藻细胞的百分数。对通过管道60对泵的输入量Q0和Jameson室底流50的排出量Q7，测量其中每毫升活细胞的数目。用如下等式可计算被破裂藻细胞的百分数F在此CCt和CCf分别是供料样品和Jameson室底流样品中的细胞计数。细胞计数规定为每毫升盐水中完整细胞的数目。
B.深床过滤
通过在Waring搅拌器中混合搅拌盐水30秒钟使盐沼杜氏藻细胞破裂。使1升含有破裂盐沼杜氏藻悬液的盐水，通过一个以过滤基质填充的园柱体进行过滤。此园柱体内径30mm，长度80mm。各种过滤基质被列举在下面表1中。
表1.所用过滤基质的类型
当过滤完成之后，用蒸馏水洗基质，回收细胞团块。用溶剂提取此水溶液，并对这样形成的溶液分析类胡萝卜素含量。然后用溶剂洗过滤基质，并分析所形成的溶液中类胡萝卜素的含量。对过滤供料液和滤出液取样，分析类胡萝卜素含量，以便测定保留在基质中的类胡萝卜素百分数。来自7个样品的结果显示在表2中。
表2.深床过滤的结果
在下面的实施例，将对在通过深床过滤使藻细胞脱水的过程中破裂细胞的冲击力进行说明。采用了在实施例1-7中所描述的相同程序，不同的是在过滤之前未使细胞破裂。具有0.25-0.35mm颗粒的石英沙深床被用作过滤基质。在过滤之前对盐水作如下条件化处理在DenverD-12机械浮选室内使藻悬液与TRITON X-100非离子表面活性剂无空气混合搅拌1分钟。表面活性剂的浓度按体积是25ppm。基于类胡萝卜素浓度的藻回收率为25％。
C.微过滤
用于微过滤的装置被显示在图3中。将来自泡沫浮选室的藻浓缩物注入供料罐62中，并通过泵64输入交叉流微滤器66，泵64被设定为7.5hp，102amps和460伏。交叉流微滤器包含被确定为孔径1.4μm具有表面面积2.15ft2的ZrO膜。此膜由地处Califormia州Whittier的U.S.Filter供应。此微滤器单元的横截面为六角形，具有19根液流管道。每根管道的直径为4mm，长度80cm。用热交换器68在进入滤器之前使供料液冷却。用压力指示器74和76测量跨膜压力差。
保留液70被返回至供料罐再循环过滤。渗透液69被弃去。渗透液的重量被表示为时间的函数。应用如下等式可计算流量N在此A是液流可利用的滤器横截面积，M2和M1分别是在时间t2和t1时的渗透液重量。用液流计78测量供料流的速度，用温度计测量温度。对保留液和渗透液取样，分析类胡萝卜素的含量。
悬液被连续过滤了6小时，排出了大约150磅渗透液。其流量对时间的曲线显示在图4中。在交叉流微滤器中通常可见的流量起始下降之后，整个运行过程中流量在115kg/hr/m2保持相对恒定，没有明显的压力差增加。这个结果是令人吃惊的，考虑到破裂藻细胞的胶粘性状，预期会迅速地使膜污染堵塞。更令人吃惊的是在渗透液中未能检测出类胡萝卜素。预期由于类胡萝卜素液滴体积小于0.1μm，在渗透液中会有明显的损失。
渗滤完成之后保留液中盐浓度降低了。淡水被注入供料罐62中。需要时可进行补充过滤和水稀释，以便使最后的保留液达到所要求的盐浓度。在6小时运行的末尾，用等体积淡水稀释存在的保留液，并过滤13分钟使之返回到起始体积。另加入等体积淡水之后进行第二次渗滤，随后再过滤13分钟使之返回到起始体积。这些渗滤实验所测量的流量显示在图4中。
D.泡沫浮选
1.机械泡沫浮选
将含有盐沼杜氏藻悬液的盐水注入Denver D-12台式泡沫浮选机中。这种泡沫浮选机的设计使之能吸入适量的空气，形成一定的叶轮转速。采用直径2.75英寸的8片叶轮。除实施例20之外其它全部实施例都使用了2000g的混合容器，实施例20使用的是4000g容器。全过程从液体中取样，测定浮选动力学和从盐水中类胡萝卜素的回收率。在每次运转的末尾收集浓缩的泡沫，借助于UV-VIS分光光度计在波长456mm分析类胡萝卜素的含量。
实验可变量包括叶轮转速，气体流速，室容积，盐水中类胡萝卜素的初始浓度，以及表面活性剂的用量。通过从搅拌器通风管加入压缩气体而改变气体流速。对未破裂藻细胞，破裂的藻细胞，以及对来自几次浮选的浓缩泡沫，测定类胡萝卜素回收率数据。实施例8-10
通过在Waring搅拌器内搅拌30秒钟使盐沼杜氏藻细胞破裂。将2000ml含有破裂藻细胞悬液的盐水注入浮选室，混合10-20分钟。10分钟后类胡萝卜素的回收率概括在表3中。
表3.对于破裂的藻细胞，10分钟后
叶轮转速对类胡萝卜素回收率的影响实施例11-16
将2000ml含有盐沼杜氏藻悬液的盐水注入浮选室，混合35分钟。10分钟后类胡萝卜素的回收率概括在表4中。
表4.对于破裂的藻细胞，10分钟后
叶轮转速对类胡萝卜素回收率的影响实施例17-20
将含有盐沼杜氏藻悬液的盐水注入浮选室，在1500rpm转速下混合搅拌35分钟。室容量对类胡萝卜素回收率的影响概括在表5中。表5.10分钟后室容量对从盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素回收率的影响实施例21-25
将含有盐沼氏杜氏藻悬液的盐水2000ml注入浮选室，混合10分钟。10分钟后测定气体流速对类胡萝卜素回收的影响，结果概括在表6中。
表6.气体流速和叶轮转速对从未破裂的
盐沼杜氏藻回收类胡萝卜素回收率的影响实施例26，27和28
将2000ml含有低、中和高浓度盐沼杜氏藻的盐水注入浮选室，混合搅拌10分钟。细胞浓度对类胡萝卜素回收率的影响概括在表7中。
表7.10分钟后类胡萝卜素的浓度对类胡萝卜素回收率的影响实施例29和30
将2000ml含有盐沼杜氏藻悬液的盐水注入浮选室中。向盐水加入Triton X-100，以1500rpm转速，无空气地将此溶液混合搅拌1分钟。然后打开空气阀，使此悬液与空气混合搅拌20分钟。10分钟后测定类胡萝卜素回收率，结果被概括在表8中。
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32
将2000ml来自浮选室的浓缩泡沫注入此室内，混合35分钟。10分钟后测定类胡萝卜素回收率，结果概括在表9中。
表9.10分钟之后，叶轮转速对从前面几次浮选的
浓缩泡沫中回收类胡萝卜素回收率的影响实施例33
对Denver DR-84-室机械浮选机在每个室内按转子和定子排列方式装置一个8扁平叶片Rushton涡轮机叶轮。对此装置以7加仑/秒的速度连续供给藻悬液。罐直径对叶轮直径之比是2.1。罐高度对罐直径之比是0.84。转子浸没深度对液体深度之比是0.75。全部4个叶轮叶片顶端的转速都保持恒定在1790英尺/分钟。液体保留时间是11分钟。Jg是4.0cm/s。气体对供料液之比是16.4。在无气体的基础上泡沫中的固体组分是0.02％。类胡萝卜素的回收率是78％。
2.气动力泡沫浮选法
a.Jameson室实施例34
在机械预处理装置内对含有盐沼杜氏藻悬液的盐水进行预处理，使细胞破裂，然后在Jameson室中处理。此Jameson室下导管直径对喷嘴直径之比是8.6，立式罐直径对下导管直径之比是5。室Jg是0.44cm/s。喷射速度是21.5m/s。下导管表面速度是0.20m/s。下导管保留时间是15.1s。空气对供料液之比是0.52。整个运行过程类胡萝卜素的回收率平均为58.8％。在无气体的基础上泡沫中的固体组分是0.02％。实施例35
收集在实施例34中所述的运行中产生的泡沫，在具有实施例34中所述几何结构的Jameson室中进行处理，使类胡萝卜素进一步浓缩。此室的Jg是0.27cm/s。喷射速度是10.6m/s。下导管表面速度是0.13m/s。下导管保留时间是23.2s。空气对供料液之比是0.49。整个运行过程类胡萝卜素的回收率平均为89.7％。在无气体的基础上泡沫中的固体组分是0.5％。实施例36
将含有盐沼杜氏藻悬液的盐水，在具有实施例34中所述几何结构的Jameson室内进行处理，不进行任何机械的或化学的预处理。此室的Jg是0.65cm/s。喷射速度是46.1m/s。下导管表面速度是0.175m/s。下导管保留时间是17.5s。空气对供料液之比是0.88。整个运行过程类胡萝卜素的回收率平均为52.8％。在无气体的基础上泡沫中的固体组分是0.02％。实施例37
收获在实施例34中所述的运行过程中产生的泡沫，在具有实施例34中所述几何结构的Jameson室中进行处理，使类胡萝卜素进一步浓缩。此室的Jg是0.29cm/s。喷射速度是11.9m/s。下导管表面速度是0.14m/s。下导管保留时间是21.7s。供料压力是22psi。空气对供料液之比是0.49。整个运行过程类胡萝卜素回收率平均为68％。在无气体的基础上泡沫中的固体组分是8.3％。实施例38
将含有盐沼杜氏藻悬液的盐水在泡沫浮选装置内进行处理。随后使泡沫瓦解，以65升/分钟的速度对具有实施例34中所述几何结构的Jameson室连续供料。气体进入此室的速度是1.1标准立方英尺/分钟(SCFM)。在整个1小时的运行过程中，泡沫中类胡萝卜素的回收率平均为89.7％。实施例39
在泡沫浮选装置内处理含有盐沼杜氏藻悬液的盐水。收集其底流液，以62升/分钟的速度对具有实施例34中所述几何结构的Jameson室连续供料。气体进入此室的速度为1.7SCFM。泡沫中类胡萝卜素回收率平均为79％。
b.多级环流泡沫浮选柱(MSTLFLO)
将MSTLFLO柱用于下面的实施例40-47，此柱直径4英寸，高125英寸，装配了3个吸取管。吸取管纵横尺寸比为12.2。吸取管直径对柱直径之比是2。洗槽直径对柱直径之比是2。不加入起沫剂。盐水pH范围是6-7。用烧结的金属喷雾器喷射空气进入柱内。喷雾器直径1英寸，长6英寸，孔径10微米。喷雾器位于最下面吸取管的底部。供料分配器位于顶部吸取管上面6英寸处。实施例40
对MSTLFLO柱输入含类胡萝卜素的盐水。分别以1.5SCFH和3.4升/分钟的速度开始输入空气和供料液，空气对供料液之比为0.21。使柱以连续模式运行，每隔5分钟进行1次供料液，泡沫和底流液采样。Jg是0.15cm/s，液体保留时间是5.2分钟。在无气体的基础上泡沫中的固体组分是约6％。类胡萝卜素的回收率是78％。实施例41
对MSTLFLO柱输入含类胡萝卜素的盐水。分别以1.5SCFH和6升/分钟的速度开始输入空气和供料液，空气对供料液之比为0.12。使柱以连续模式运行。每隔5分钟进行1次供料液，泡沫和底流液采样。Jg是0.15cm/s，柱体保留时间是3.2分钟。在无气体的基础上泡沫中的固体组分是约17％。类胡萝卜素回收率是76％。实施例42
先对MSTLFLO柱输入含类胡萝卜素的盐水。再开始以3SCFH的速度输入空气流。使柱以分批模式运行。在浮选20分钟之后收集供料液，泡沫和底流液样品。Jg是0.29cm/s。在无气体的基础上泡沫中的固体组分是约11％。类胡萝卜素回收率83％。实施例43
对与实施例41中相同的MSTLFLO柱，注入前面在浮选装置内处理过的含盐沼杜氏藻的盐水。对柱输入气体的速度在3-4SCFH内改变。25分钟之后，泡沫内类胡萝卜素的回收率大于87％。实施例44
将含有盐沼杜氏藻悬液的盐水在浮选装置内进行处理。随后使泡沫瓦解，以2升/分钟的速度对与实施例41中相同的MSTLFLO柱顶部连续供料。以2SCFH的速度从柱底部喷入空气。使柱连续运行30分钟以上。泡沫中类胡萝卜类的平均回收率是81.5％。实施例45
在类似于实施例41的运行中，以3.25升/分钟的速度对MSTLFLO柱供给盐水。在整个30分钟运行的过程，泡沫中类胡萝卜素回收率平均为86.3％。实施例46
在类似于实施例45的运行中，以1.14升/分钟的速度对MSTLFLO柱供给盐水。在整个35分钟运行的过程，泡沫中类胡萝卜素回收率平均为84.9％。实施例47
在类似于实施例41的运行中，以0.69升/分钟的速度对MSTLFLO柱供给盐水。在整个45分钟运行的过程，泡沫中类胡萝卜素回收率平均为81.1％。
c.加拿大柱
将上述的MSTLFLO柱拆除全部吸取管后进行操作。不加入任何起沫剂。盐水的pH范围是6-7。采用相同的喷雾器。供料分配器位于泡沫溢流孔道下面约36英寸处。实施例48
对此气泡柱注入含有类胡萝卜素的盐水。分别以5SCFH和5.8升/分钟的速度开始输入空气和供料液，空气对供料液之比为0.41。使柱以连续模式运行。每隔5分钟收集1次供料液，泡沫和底流液样品。Jg是0.49cm/s。液体保留时间是3.1分钟。在无气体的基础上泡沫中携带的固体是约0.7％。类胡萝卜素回收率是65％。实施例49
将含有盐沼杜氏藻悬液的盐水在浮选装置内进行处理。随后使泡沫瓦解，输入给直径4英寸的泡沫柱。在柱底部通过喷雾器以20SCFH的速度输入空气。浮选12分钟之后，泡沫中类胡萝卜素回收率为90％。
d.空气喷射水力旋流器(ASH)
在以设定值开始输入供料液流之前，以要求的速度开始对空气喷射水力旋流器输入气流。此ASH单元由一个塑料套筒组成，内有直径2英寸，长度约18英寸的聚乙烯膜板，膜板平均孔径为20微米。在膜板加压侧气体的压力保持在15和10psig之间。未加入表面活性物质促进浮选。对供料液、泡沫和底流液采样，以便定量评价ASH的性能。其Jg是5.9cm/s。气体对供料液之比保持在5.8。液体保留时间是1.3s。在无气体的基础上泡沫中的固体组分是0.09％。类胡萝卜素回收率为68％。实施例51-54
对实施例50的ASH单元进行评价，以便确定以破裂藻细胞时类胡萝卜素的回收率和浓缩倍数。结果概括在下面的表10中。通过旋流器的多孔壁将压缩空气导入。供料液从旋流器顶部注入。富含类胡萝卜素的泡沫从上面溢出，同时已没有藻细胞的盐水从下面排出。
表10.ASH对类胡萝卜素的回收和浓缩
E.回收有价值的成分
1.溶剂的分配系数
为了鉴别用于提取操作的适当溶剂，在25℃下测定了对于来自盐沼杜氏藻的类胡萝卜素，在盐水和各种溶剂之间的分配系数。将3ml溶剂和12ml藻浓缩液注入25ml的试管中。将这些试管振荡足以使之完成物质传递的时间，然后轻轻倾倒出并取样。结果概括在表11中，分配系数被定义为在有机相类胡萝卜素的浓度除以它在水相的浓度。
表11.25℃下，类胡萝卜素在盐水和几种有机溶剂间的分配系数
2.液相提取法
将含有盐沼杜氏藻悬液的盐水注入浮选室内，混合搅拌10分钟。收集此浓缩的泡沫，在浮选室内与空气混合搅拌10分钟。将2000ml二次浓缩的含类胡萝卜素的泡沫和400ml溶剂注入具有下表12中给定几何结构的3升的混合器中。
表12.用于提取过程物质传递动力学测定的混合容器和叶轮的尺寸
将此混合物在600rpm转速下搅拌20分钟。间歇地对盐水取样，测定物质传递动力学。20分钟后使混合器停止运转，并记录相分离时间。倾倒出油相，将盐水相返回混合器。将400ml新鲜的溶剂注入此提取器，以600 rpm转速搅拌此多相混合物20分钟。使之再进行20分钟相分离。使来自二次提取步骤的溶剂相再澄清4小时，以便减少胶粘藻残留物的容量。然后将固体相离心，使溶剂相和盐水相与藻残余物分离。从类胡萝卜素提取物中蒸发除去溶剂，加入橄榄油，形成类胡萝卜素在橄榄油中的悬液。在下面的实施例中提供了提取法和相分离数据。实施例65.从浓缩泡沫中将类胡萝卜素提取至庚烷中
按上述的一般提取程序进行提取。将2530g浓缩泡沫和280g庚烷注入混合器中。回收率数据概括在表13中。
表13.用庚烷从盐沼杜氏藻提取类胡萝卜素的混合器/澄清器动力学实施例66.从浓缩泡沫中将类胡萝卜素提取至苎烯中。
按上述的一般提取程序进行提取。对混合器内注入2516g浓缩泡沫和343g苎烯。回收率数据概括在表14中。
表14.用苎烯从盐沼杜氏藻提取类胡萝卜素的混合器/澄清器动力学实施例67.从浓缩泡沫中将类胡萝卜素提取至丁酸乙酯中
按上述的一般提取程序进行提取。对混合器注入2499g浓缩泡沫和353g丁酸乙酯。回收率数据提供在表15中。叶轮转速为800rpm。
表15.用丁酸乙酯从盐沼杜氏藻提取
类胡萝卜素的混合器/澄清器动力学实施例68.从浓缩泡沫中将类胡萝卜素提取至橄榄油中
按上述的一般提取程序进行提取。对混合器注入1845g浓缩泡沫，和280g橄榄油。10分钟后类胡萝卜素回收率是77％。实施例69.提余液的纯化
对浮选室注入2000ml来自第二次提取的提余液，以2000rpm的转速混合搅拌20分钟。16分钟后测定泡沫中类胡萝卜素回收率为82％。实施例70.提余液的纯化
将饱和NaCl盐水同溶剂混合，在25℃下使此混合物达到平衡。测定饱和盐水中溶剂的浓度。对此溶液加入活性碳，搅拌混合此稀浆液直至达到平衡。使活性碳从稀浆液中沉淀出，对此盐水取样，测定溶剂的浓度。结果提供在表16中。
表16.在活性碳层吸附之前和吸附之后，饱和NaCl盐水中
溶剂的浓度。对盐水中溶剂的检测极限是5ppb
3.液相提取物质传递动力学
在具有表12中概述的几何结构的3升园柱形容器内，对物质传递动力学实验性测定。叶轮位于容器的中心。在不同时间对液/液分散相取样，测定水相中类胡萝卜素的浓度，此项研究的结果概括在表17中。
表17.叶轮转速和溶剂对供料液之比
对液相提取类胡萝卜素回收率的影响
4.用苎烯连续提取类胡萝卜素实施例81
用大约100加仑容积的含有盐沼杜氏藻悬液的盐水，以10加仑/分钟的速度对Denver#5水处理浮选室供料。收集此浮选室中的浓缩泡沫，注入3升的混合器内，同时加入苎烯。混合器和叶轮的几何结构与表12中列举的相同，叶轮转速是600rpm。将来自混合器的流出液用泵通过导管式粗滤器吸入沉淀分取器，以便使胶粘的藻残渣分散开。此沉淀分取器装配了一个由纽约Paresippany的Otto York制造的4英寸直径×12英寸的聚结器。溶剂相从沉淀分散器的上面流入调压槽，再从调压槽泵吸进入闪蒸发罐。在启动闪蒸发罐之前将橄榄油加入此罐中。溶剂从闪蒸发罐中蒸发出，类胡萝卜素以在橄榄油中悬液的形式被回收。蒸发的溶剂被冷凝，再循环至混合器。提取的回收率概括在表18中。整个运行过程中泡沫浮选室的回收率平均为60％。
表18.用苎烯从盐水中连续提取类胡萝卜素的提取效率
上面已根据特定的优选实施方案对本发明进行了描述。但是，并不打算以上面的叙述使本发明局限于已说明的实施方案，技术人员应该意识到，根据在前面详述中描述的本发明的精髓和内容，可作出多种改变形式。本发明包括如所附权利要求规定的，可能包含在本发明精髓和范围之内的所有替换形式，修改形式和等效形式。
权利要求
1.一种破裂水悬液中微藻的方法，包括选自如下的一个步骤在水悬液中产生微小气泡，并在气泡存在下机械地剪切水悬液中的藻细胞；在足以破裂细胞的压力下使水悬液经压缩部进入液相；在足够破裂细胞的供料入口压力下运转Jameson室；以及它们的组合方式。
2.权利要求1的方法，其中使水悬液在足以破裂细胞的压力下经压缩部进入液相的步骤包括，使水悬液在足以破裂细胞的压力和再循环百分数下，循环通过泵环路中的压缩部。
3.权利要求1的方法，其中使水悬液在足以破裂细胞的压力下经压缩部进入液相的步骤包括，使此悬液通过French压缩器。
4.权利要求1的方法，其中机械地剪切水悬液中细胞的步骤包括，以足够破裂细胞的尖端速度旋转水悬液中的一个叶轮。
5.一种破裂盐水中盐沼杜氏藻细胞的方法，包括选自如下的一个步骤在水悬液中产生微小气泡，并在气泡存在下机械地剪切盐水中的细胞；在足以破裂细胞的压力下使盐水经压缩部进入液相；在足够破裂细胞的供料入口压力下运转Jameson室；以及它们的组合形式。
6.权利要求5的方法，其中使盐水在足以破裂细胞的压力下经压缩部进入液相的步骤包括，使盐水在大约50-200psig的压力下，以及在大约100％-300％的再循环百分数下，循环通过泵环路中的压缩部。
7.权利要求5的方法，其中使盐水在足以破裂细胞的压力下经压缩部进入液相的步骤包括，使盐水通过French压缩器。
8.权利要求5的方法，其中机械地剪切盐水中细胞的步骤包括，以足够破裂细胞的尖端速度旋转盐水中的一个叶轮。
9.一种破裂盐水中盐沼杜氏藻细胞的方法，包括使盐水在大约50-200psig的压力下，以及在大约100％-300％的再循环百分数下，循环通过泵环路中的压缩部。
全文摘要
公开了一种破裂水悬液中微藻细胞的方法。在一个实施方案中,是通过如下方式使水悬液在足以破裂细胞的压力下,经压缩部进入液相:使水悬液在足以破裂细胞的压力和再循环百分数下,循环通过泵环路中的压缩部。借助于本发明的方法,可使盐沼杜氏藻(Dunaliella salina)细胞破裂,从而促进为了回收混合类胡萝卜素对这种细胞的泡沫浮选和机械过滤作用。
文档编号C12N1/06GK1241209SQ9718087
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J·S·卡内尔, S·A·盖尔彻尔 申请人:伊斯曼化学公司