專(zhuān)利名稱(chēng)：破裂微藻細(xì)胞的方法
發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明是關(guān)于從藻類(lèi)回收成分地方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明是關(guān)于從鹽沼杜氏藻(Dunaliella Salina)回收混合類(lèi)胡蘿卜素的方法。

背景技術(shù)：
類(lèi)胡蘿卜素是在橙黃色蔬菜和多種暗綠色食物中發(fā)現(xiàn)的深黃-橙色色素。β-胡蘿卜素在各種類(lèi)胡蘿卜素中含量最多。在體內(nèi)β-胡蘿卜素可被轉(zhuǎn)化成維生素A。維生素A是一種脂溶性維生素，可在體內(nèi)貯存有限的一段時(shí)間，主要是貯存于肝臟內(nèi)，不象水溶性維生素那樣不能貯存。如果攝入大量維生素A，則可能是有毒的。但是，需要時(shí)β-胡蘿卜素在體內(nèi)被轉(zhuǎn)化成維生素A，一般認(rèn)為β-胡蘿卜素是維生素A的非毒性來(lái)源，即使大量也無(wú)毒。
β-胡蘿卜素已被看作是一種抗氧化劑，在動(dòng)物組織內(nèi)，它能對(duì)抗氧化作用的損害。由于這個(gè)緣故，以及作為維生素A的非毒性來(lái)源，β-胡蘿卜素已被高度評(píng)價(jià)，并具有作為營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物的商業(yè)價(jià)值。無(wú)論如何，最近已出現(xiàn)了對(duì)β-胡蘿卜素作為一種從混合類(lèi)胡蘿卜素中分離出來(lái)的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物的健康效果的關(guān)注，事實(shí)上在混合類(lèi)胡蘿卜素中一般都存在β-胡蘿卜素。
植物產(chǎn)生的混合類(lèi)胡蘿卜素，包括β-胡蘿卜素，可從包括胡蘿卜，菠菜和棕櫚油在內(nèi)的各種來(lái)源得到，但是，它們的相對(duì)濃度在Dunaliella屬藻中較高。這種藻類(lèi)通常發(fā)現(xiàn)在濃鹽水溶液中。在適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)條件下，混合類(lèi)胡蘿卜素的含量可達(dá)水藻干重的10％以上。
例如，當(dāng)暴露于高溫，強(qiáng)光，以及每單位體積鹽水含有NaCl濃度大于約20％的鹽水液等應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，鹽沼杜氏藻趨向于聚積相當(dāng)大量的類(lèi)胡蘿卜素和甘油。認(rèn)為類(lèi)胡蘿卜素可保護(hù)水藻免受陽(yáng)光損傷。類(lèi)胡蘿卜素的濃度隨鹽水鹽濃度增加而增加，直至達(dá)到該水藻的耐鹽性極限。
已提出了多種方法用于從鹽沼杜氏藻回收β-胡蘿卜素，類(lèi)胡蘿卜素和其它有價(jià)值的成分。鹽沼杜氏藻提供了一個(gè)β-胡蘿卜素和其它類(lèi)胡蘿卜素的來(lái)源，目前已從中制造了幾種營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物。但是，對(duì)于以無(wú)潛在有毒溶劑和其它有害物質(zhì)的形式，從鹽沼杜氏藻經(jīng)濟(jì)有效地回收類(lèi)胡蘿卜素仍有些問(wèn)題。鹽沼杜氏藻作為類(lèi)胡蘿卜素來(lái)源的商業(yè)開(kāi)發(fā)遇到許多困難。
耐鹽藻，包括鹽沼杜氏藻，通常可在鹽湖中發(fā)現(xiàn)，包括猶他州大鹽湖。從湖泊和其它天然環(huán)境中收獲鹽沼杜氏藻，商業(yè)上通常是不可取的，部分原因是在未控制生長(zhǎng)的條件下類(lèi)胡蘿卜素的低濃度。
商業(yè)上，正常情況下是從在特別建筑的野外池塘中產(chǎn)生的培養(yǎng)物中收獲鹽沼杜氏藻。為了促進(jìn)類(lèi)胡蘿卜素的產(chǎn)生，這種野外池塘一般建筑在具有炎熱、干旱氣候的地區(qū)，且少雨水，少陰天。
為了培植水藻，已經(jīng)發(fā)展了二種不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖法。它們是精作模式(intensive mode)和粗放模式(extensive mode)。二種水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)都需要對(duì)培養(yǎng)基內(nèi)加入養(yǎng)料，以便供給必要的無(wú)機(jī)養(yǎng)分，磷，氮，鐵和微量金屬元素，這些都是通過(guò)光合作用產(chǎn)生生物量所必需的。
二種生產(chǎn)模式之間的主要差別是生長(zhǎng)培養(yǎng)基的混合方式。精作模式池塘采用機(jī)械混合裝置，而粗放模式池塘依賴(lài)于風(fēng)力混合。因此，對(duì)于精作模式養(yǎng)殖法，可較精確地控制影響水藻生長(zhǎng)的因素。
不論是精作模式還是粗放模式，生長(zhǎng)培養(yǎng)基的鹽度都控制在特定范圍內(nèi)，通常是每單位體積鹽水中按重量含約18-27％的NaCl。認(rèn)為這個(gè)濃度范圍能提供最大類(lèi)胡蘿卜素產(chǎn)量。認(rèn)為對(duì)于鹽沼杜氏藻，最佳生長(zhǎng)范圍是約18-21％的鹽度。認(rèn)為在大于約27％的鹽度時(shí)，在水藻生物量中出現(xiàn)最大的類(lèi)胡蘿卜素產(chǎn)量。已有報(bào)導(dǎo)在約24％鹽度時(shí)，每單位體積鹽水培養(yǎng)基出現(xiàn)了最大的類(lèi)胡蘿卜素產(chǎn)量。
用于精作模式養(yǎng)殖法的野外池塘一般較昂貴，通常是混凝土結(jié)構(gòu)，并襯以塑料。鹽水深度一般控制在20厘米，認(rèn)為此深度是產(chǎn)生水藻生物量的最佳深度。已經(jīng)提出了多種池塘結(jié)構(gòu)用于精作模式養(yǎng)殖法。但是，對(duì)于商業(yè)養(yǎng)殖，露天氣道的池塘通常是最重要的。氣道池塘采用葉輪提供混合動(dòng)力?；瘜W(xué)和生物學(xué)參數(shù)可仔細(xì)控制，包括鹽和養(yǎng)分的濃度，鹽水的pH，以及培養(yǎng)物的純度。
粗放模式養(yǎng)殖法已在澳大利亞炎熱干旱的地區(qū)實(shí)施。用于粗放模式養(yǎng)殖的野外池塘，與用于精作模式養(yǎng)殖的池塘相比較，一般較大，并且通常情況下是建筑在湖床內(nèi)。這種露天池塘通常是以土制堤壩限定范圍。不采用任何混合設(shè)置。池塘內(nèi)的混合作用是借助于風(fēng)來(lái)產(chǎn)生。優(yōu)化池塘的深度和化學(xué)成分以達(dá)到最大的類(lèi)胡蘿卜素產(chǎn)量。
但是，對(duì)于最大類(lèi)胡蘿卜素產(chǎn)量，培養(yǎng)物純度和穩(wěn)定性的參數(shù)，在粗放模式池塘不象在精作模式池塘那樣容易控制，因?yàn)槿鄙俪浞值幕旌希⑶掖址拍Ｊ匠靥寥萘恳脖容^大，鹽水的成分易波動(dòng)。與精作模式池塘相比較，水藻生物量的濃度較低。粗放模式池塘更易受捕食動(dòng)物和競(jìng)爭(zhēng)者的侵染。
在大約20％以上的鹽度下，捕食動(dòng)物和競(jìng)爭(zhēng)者一般不能生存。如果池塘的鹽度下降至低于約20％，培養(yǎng)物可能被捕食動(dòng)物侵染，它們的數(shù)量迅速增加，使鹽沼杜氏藻群體大量被毀滅。主要的捕食動(dòng)物是纖毛原生動(dòng)物Fabrea salina，以及鹽水蝦Artemia saline。在鹽濃度低于約15％時(shí)，其它藻類(lèi)趨于同鹽沼杜氏藻競(jìng)爭(zhēng)養(yǎng)料，并且另一些捕食動(dòng)物還可能使鹽沼杜氏藻群體進(jìn)一步減少。
與精作模式池塘相比較，在粗放模式池塘從鹽水中回收這種水藻也有較多的問(wèn)題，因?yàn)槭歉♂尩呐囵B(yǎng)物。但是已觀察到，水藻傾向于在粗放模式池塘和天然鹽湖的邊緣集中成長(zhǎng)條形聚集。水藻常被風(fēng)吹越過(guò)湖或池塘表面，被收集在背風(fēng)側(cè)，集中成長(zhǎng)條形聚集。已經(jīng)意識(shí)到，收獲此聚集帶的能力可顯著地改善方法的經(jīng)濟(jì)效果，因?yàn)槠渲杏休^高的水藻濃度。然而，還沒(méi)有可普遍采用的滿(mǎn)意技術(shù)可用于收獲這種水藻聚集帶。
通常也不可能從一個(gè)固定的收獲設(shè)備位置收獲較大量的水藻聚集帶。風(fēng)向通常有點(diǎn)不可預(yù)測(cè)，并可經(jīng)常改變。聚集帶可能沿著池塘或湖的邊緣在不同的位置形成。當(dāng)聚集帶沒(méi)有在固定的收獲設(shè)備位置形成時(shí)，那么稀釋的懸液將被處理，使水藻耗盡，導(dǎo)致降低產(chǎn)率。由于需處理更稀的培養(yǎng)物，收獲成本比較高。
然而，較高的收獲成本可能通過(guò)基本投資給予彌補(bǔ)，對(duì)于精作模式養(yǎng)殖需要投資水泥結(jié)構(gòu)和塑料襯里的池塘。與精作模式養(yǎng)殖的加襯水泥池塘相比較，用于土質(zhì)粗放模式池塘的每單位容量的池塘建筑成本是相當(dāng)?shù)偷摹?br> 已經(jīng)意識(shí)到，如果可能從其天然生長(zhǎng)的湖中收獲水藻，那么可以想象，池塘建設(shè)費(fèi)用，養(yǎng)料費(fèi)用和鹽水配制費(fèi)用都基本上可以省去。但是，也已認(rèn)識(shí)到，從湖泊和其它天然環(huán)境中收獲水藻是不經(jīng)濟(jì)的，沒(méi)有商業(yè)利用價(jià)值。通常不能對(duì)湖水鹽度，湖水的礦物度和營(yíng)養(yǎng)成分，以及天然鹽湖中的混合度進(jìn)行任何程度的控制。稀釋的水藻培養(yǎng)物的穩(wěn)定性也可能出現(xiàn)問(wèn)題。
處理鹽沼杜氏藻的稀培養(yǎng)物一般是不經(jīng)濟(jì)的，部分原因是在從它們生長(zhǎng)的鹽水中分離水藻時(shí)遇到的問(wèn)題和困難。這種水藻具有運(yùn)動(dòng)性，中等密度，以及大約12-16微米×25微米的小橢圓形態(tài)，致使對(duì)這種水藻的收獲比較困難。
通?？赏ㄟ^(guò)應(yīng)用化學(xué)絮凝劑或凝結(jié)劑，結(jié)合使用沉降器，離心機(jī)，濾器，吸附劑或其它分離手段，從發(fā)現(xiàn)它的鹽水中分離出鹽沼杜氏藻?；瘜W(xué)處理包括例如，硅烷可被用作吸附介質(zhì)，以便增強(qiáng)吸附作用。已提出了多種方法用于從這種水藻中提取β-胡蘿卜素，類(lèi)胡蘿卜素，和其它有價(jià)值的成分，包括甘油和蛋白質(zhì)。還提出了用烴類(lèi)溶劑，食用油溶劑，和超臨界二氧化碳作溶劑用于提取。還可以借助于機(jī)械手段使水藻裂解，促進(jìn)對(duì)成分的提取。
化學(xué)添加劑如絮凝劑和凝結(jié)劑，限制了以鹽沼杜氏藻作為類(lèi)胡蘿卜素和β-胡蘿卜素來(lái)源的商業(yè)開(kāi)發(fā)，部分原因是對(duì)水藻懸液，特別是烯懸液加入這些試劑的高成本?；瘜W(xué)添加劑，化學(xué)處理，和烴類(lèi)溶劑，被認(rèn)為對(duì)營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物是有害的。
希望能更經(jīng)濟(jì)，更有效地收獲鹽沼杜氏藻，并以最少的或者沒(méi)有不良的添加劑從中提取出類(lèi)胡蘿卜素和其它有價(jià)值的成分。
發(fā)明概述
本發(fā)明提供了一種方法用于從其生長(zhǎng)的培養(yǎng)基中分離出微小水藻，并隨之從水藻中回收各種成分。此方法包括氣泡吸附分離法，它能使水藻脫水，達(dá)到濃縮水藻的目的，因而可較經(jīng)濟(jì)地從中提取出可提取的成分?？蓮膹V泛的起始濃度達(dá)到可提取的濃度?？杀苊馐褂没瘜W(xué)添加劑和化學(xué)處理，它們可能污染生長(zhǎng)培養(yǎng)基或水藻濃縮物。如果需要，在提取成分之后，生長(zhǎng)培養(yǎng)基和剩余的水藻可恢復(fù)到原狀。
本發(fā)明可對(duì)從在天然湖泊和池塘中獲得的稀懸液水藻進(jìn)行經(jīng)濟(jì)地脫水。在稀懸液中的細(xì)胞濃度有時(shí)低至每毫升生長(zhǎng)培養(yǎng)基2000個(gè)細(xì)胞。多個(gè)氣泡吸附分離單元可用于使水藻脫水。在連續(xù)的氣泡吸附分離步驟中，水藻越來(lái)越濃縮。
本發(fā)明可用于收獲水藻聚集的長(zhǎng)條，包括一臺(tái)可移動(dòng)的收獲處理裝置。在這方面，氣泡吸附分離法可使用氣動(dòng)力發(fā)泡浮選裝置，此裝置可用重量輕的塑料制造，并且只有較小的移動(dòng)面積。因?yàn)橐苿?dòng)軌跡較小，所以此設(shè)備可安裝在平板卡車(chē)，拖車(chē)，浮箱上，或者安裝在其它易靈活轉(zhuǎn)移的裝置上，這樣便于移動(dòng)到形成水藻聚集帶的旁邊。此設(shè)備可走向水藻聚集帶，而不是等候水藻聚集帶移到設(shè)備旁。
本發(fā)明還能對(duì)在粗放模式和精作模式池塘中培養(yǎng)的較濃縮的懸液進(jìn)行經(jīng)濟(jì)的脫水處理，在這種池塘內(nèi)，細(xì)胞計(jì)數(shù)有時(shí)達(dá)到每毫升生長(zhǎng)培養(yǎng)基百萬(wàn)個(gè)細(xì)胞。
本處理方法包括幾個(gè)步驟。首先是獲得在其生長(zhǎng)培養(yǎng)基中的水藻懸液，來(lái)源可包括精作池塘，粗放模式池塘，或天然的湖泊，包括其中有鹽沼杜氏藻茂盛生長(zhǎng)的猶他州大鹽湖的鹽水。在獲得這種水藻懸液之后，可通過(guò)氣泡吸附分離法將它從培養(yǎng)基水溶液中分離出來(lái)。
在這方面，本發(fā)明普遍地采用分散氣體浮選法，包括機(jī)械的和氣動(dòng)力發(fā)泡浮選法，溶解氣體浮選法，以及電解法，用于在沒(méi)有不良化學(xué)添加劑和化學(xué)處理的情況下，使杜氏藻屬藻類(lèi)的懸液脫水，并從此種水藻中提取各種成分?？梢允褂檬称芳?jí)的溶劑，從杜氏屬藻得到高回收率的混合類(lèi)胡蘿卜素。
電解浮選和溶解氣體浮選法不一定與分散氣體浮選法等同。當(dāng)培養(yǎng)基水溶液是濃縮的鹽水時(shí)，則需要較大的電流用于電解浮選，因?yàn)辂}水比淡水具有更強(qiáng)的導(dǎo)電性。氣體通常不象在淡水中那樣容易溶解在濃鹽水中。
對(duì)鹽沼杜氏藻的脫水，可通過(guò)先使包裹藻體的膜破裂，然后借助于氣泡吸附法除去水分，可不使用凝結(jié)劑或絮凝劑。盡管不希望受到理論的束縛，但是據(jù)認(rèn)為，當(dāng)包裹藻體的膜破裂時(shí)，藻體將吸附在與鹽水緊密接觸的疏水性氣泡上?？梢詰?yīng)用一般預(yù)期能瓦解藻體絮凝物的高切變條件，而當(dāng)此過(guò)程是以浮選絮凝藻體為目的時(shí)，認(rèn)為這種條件是不理想的。這種水藻看來(lái)還含有天然存在的表面活性劑，并具有足夠的濃度和能量，易產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫。在下面的詳述中將論述幾種破裂水藻的方法。
在泡沫浮選過(guò)程中，作為分散氣體浮選法的一種，其中的氣體是被分散成微小的氣泡。這種氣體可以是空氣或不含氧氣和氧化劑的氣體，以避免對(duì)類(lèi)胡蘿卜素的氧化作用。微小氣泡與藻懸液緊密接觸，水藻被吸附在氣泡的表面，形成氣泡和水藻的聚結(jié)物，使鹽水中不存在水藻。將氣泡和水藻的聚結(jié)物從液相中分離出來(lái)，成為濃縮的藻懸液泡沫。
如果需要，可用浮選輔助劑提高回收率。不需要絮凝劑或凝結(jié)劑，至少對(duì)于鹽水中鹽沼杜氏藻脫水不需要，但是如果需要也可加入。破裂的水藻是通過(guò)附著于氣泡被浮選，不是通過(guò)絮凝作用。高切變場(chǎng)可被應(yīng)用于提供小氣泡，促使氣泡和顆粒緊密接觸，另一方面在絮凝和浮選過(guò)程中，低切變場(chǎng)一般被用于使絮凝物損耗減到最小。
用于泡沫浮選的氣體，通過(guò)產(chǎn)生水藻懸液液體噴射，并壓迫液體噴射通過(guò)氣體，可被分散成微小氣泡，并可在水藻懸液中形成分散的氣體。在下面詳述中將要描述的Jameson小室是可用于本發(fā)明這方面的一種裝置。
如在一個(gè)吸附塔中，通過(guò)將氣體噴射進(jìn)入液相中，氣體可被分散成微小氣泡。一種多級(jí)環(huán)流浮選塔，有時(shí)被稱(chēng)為“MSTLFLO”塔，是用于實(shí)施本發(fā)明這方面的一種裝置。
通過(guò)將氣體導(dǎo)入水藻懸液，并對(duì)懸液和氣體施加機(jī)械切變應(yīng)力，可使氣體分散成微小氣泡。通過(guò)將氣體導(dǎo)入渦旋的高速液流中，并使用靜電混合器產(chǎn)生小氣泡，也可使氣體分散成微小氣泡。這種液體一般可以是新鮮的水，鹽水，或表面活性劑溶液。
取決于環(huán)境條件和可得到的設(shè)備，應(yīng)該采用上述的和其它裝置的組合形式，用于產(chǎn)生小氣泡，并促進(jìn)氣泡和水藻懸液之間緊密接觸。
借助于幾種方法可實(shí)現(xiàn)微小氣泡和藻懸液之間的緊密接觸?？蓪?duì)氣泡和懸液進(jìn)行機(jī)械地或氣動(dòng)力混合。機(jī)械混合裝置通常是采用在豎直的通風(fēng)井上裝一臺(tái)旋轉(zhuǎn)渦輪推進(jìn)器，用以提供機(jī)械混合和通氣。還可通過(guò)使用鼓風(fēng)機(jī)提供通氣。
氣動(dòng)力混合依賴(lài)于將氣體加到氣泡和藻類(lèi)懸液的二相系統(tǒng)中，產(chǎn)生濃度差而導(dǎo)致混合。在每種方法中，氣泡和藻懸液可以按相對(duì)流動(dòng)或平行流動(dòng)的方式，或者以二者組合的方式相接觸。
一般是通過(guò)重復(fù)進(jìn)行氣泡吸附分離步驟而進(jìn)一步濃縮水藻懸液。應(yīng)達(dá)到適合于從水藻中提取可提取的成分，包括從鹽沼杜氏藻中提取混合類(lèi)胡蘿卜素的水藻懸液濃度。
本發(fā)明的另一方面，該方法還包括過(guò)濾藻懸液?？墒乖鍛乙号c深床過(guò)濾基質(zhì)接觸，或者使之象微過(guò)濾一樣通過(guò)一種濾膜。通常是在氣泡吸附分離過(guò)程之前進(jìn)行深床過(guò)濾，作為預(yù)濃縮步驟。一般在過(guò)濾之前使水藻破裂，通常是使藻懸液在足夠在壓差下通過(guò)，雖然下面詳述中所論述的任何破裂法都能滿(mǎn)足需要。微過(guò)濾一般是用作后濃縮步驟，在氣泡吸附分離過(guò)程之后進(jìn)行，以便獲得適合于藻成分濃密氣體提取的水藻濃度。
另一方面，本發(fā)明包括，通過(guò)使脫水的懸液與適當(dāng)?shù)娜軇┙佑|，而從脫水的藻懸液中提取藻成分。如果需要，可將溶劑預(yù)先分散在藻懸浮中，隨后進(jìn)行提取。適合用于實(shí)施本發(fā)明的提取溶劑包括食用油，香味劑(flavorants)，石油化學(xué)溶劑，和濃密的氣體，雖然不一定能得到同等的效果。香味劑普遍認(rèn)為是安全的，通常具有作為提取溶劑的優(yōu)良品質(zhì)，較小的粘稠性而便于使用，并比食用油有更大的溶劑效力。石油化學(xué)溶劑對(duì)于營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物通常是不希望使用的，因此常常避免使用。
如果已使懸液達(dá)到了適合的藻濃度，如需要下一步可用濃密氣體進(jìn)行提取，包括使用超臨界和亞臨界二氧化碳，以及其它氣體。一般情況下，是在泡沫浮選之后，通過(guò)微濾膜對(duì)水藻進(jìn)行濃縮，得到適合于用濃密氣體提取其成分的固定濃度。但是，如果需要，也可以應(yīng)用較常規(guī)的提取法，使用或不使用微過(guò)濾步驟。
因此，同以前的通常方法相比較，本發(fā)明特別提供了更經(jīng)濟(jì)有效，環(huán)境安全和營(yíng)養(yǎng)上可接受的方法，用于收獲鹽沼杜氏藻，并對(duì)它脫水處理，以及從這種藻中提取混合類(lèi)胡蘿卜素?？蓪?duì)稀濃度的，聚集帶，或更濃的水藻來(lái)源進(jìn)行收獲。如果需要，可使用移動(dòng)性收獲設(shè)備。可借助于氣泡吸附分離法進(jìn)行脫水，不需要絮凝劑，凝結(jié)劑或其它不良添加物?？捎檬称芳?jí)溶劑從濃縮的水藻中提取β-胡蘿卜素和其它類(lèi)胡蘿卜素，生產(chǎn)混合類(lèi)胡蘿卜素的食品來(lái)源。
附圖簡(jiǎn)述
對(duì)本發(fā)明的某些特點(diǎn)和優(yōu)越性已作了陳述。其它一些優(yōu)越性將在結(jié)合附圖描述本發(fā)明的過(guò)程中給予說(shuō)明。其中


圖1表示方法的工藝流程圖，用于獲得藻懸液，使水藻脫水，以及從藻體提取有用成分；
圖2圖解表示用于破裂藻體的泵環(huán)路系統(tǒng)；
圖3圖解表示用于交叉流微過(guò)濾藻懸液的環(huán)路；
圖4圖解表示對(duì)于圖3的交叉流微過(guò)濾環(huán)路，流量對(duì)時(shí)間的關(guān)系；
圖5圖解表示泡沫浮選法，描述泡沫浮選法的各個(gè)區(qū)；
圖6圖解表示一個(gè)泡沫浮選環(huán)路，包括用于脫水處理藻懸液的粗選器，濃縮器，和精選器；
圖7圖解表示一種機(jī)械浮選室；
圖8圖解表示一個(gè)單獨(dú)的下導(dǎo)管式Jameson室；
圖9圖解表示一種多級(jí)環(huán)流泡沫浮選塔，也被稱(chēng)為MSTLFLO塔；
圖10圖解表示加拿大塔，有時(shí)也被稱(chēng)為氣泡塔或傳統(tǒng)塔；
圖11圖解表示一個(gè)簡(jiǎn)便的泡沫浮選環(huán)路，包括用于獲得混合類(lèi)胡蘿卜素產(chǎn)品的Jameson室粗選器，第一級(jí)Jameson室濃縮器，第二級(jí)MSTLFLO濃縮器，交叉流微過(guò)濾單元，連續(xù)的濃密氣體提取單元，以及旋流分離器；
圖12是用于從藻體提取混合類(lèi)胡蘿卜素和其它有用成分的工藝流程圖。
詳述
本發(fā)明用于從水藻生長(zhǎng)的培養(yǎng)基質(zhì)中分離水藻方法的綜合步驟，被表示在圖1中。下面將根據(jù)使鹽水中的鹽沼杜氏藻脫水，以便從鹽沼杜氏藻中提取混合類(lèi)胡蘿卜素的過(guò)程，對(duì)圖1進(jìn)行論述。
在各種藻類(lèi)中，鹽沼杜氏藻有些特殊，它通常以含葉綠素的單細(xì)胞生物形式存在，并且沒(méi)有真正的細(xì)胞壁。認(rèn)為鹽沼杜氏藻取而代之地具有一層保護(hù)性磷脂膜，在實(shí)施本發(fā)明中它將被破裂。據(jù)信，在氣泡吸附分離的條件下，是藻體內(nèi)部成分，而不是這種膜對(duì)鹽沼杜氏藻在鹽水中的良好表面活性狀態(tài)起主要作用。
應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，杜氏藻屬還包括Dunaeliella bardawil，本發(fā)明在此所述的內(nèi)容也完全適用于Dunaeliella bardawil。關(guān)于杜氏藻屬的分類(lèi)在文獻(xiàn)中可能有些混淆，可能鹽沼杜氏藻和Dunaeliella bardawil是相同的一種藻。
但是，還應(yīng)意識(shí)到，還存在其它藻類(lèi)，淡水藻和鹽水藻，都可借助于本發(fā)明的方法實(shí)施脫水，雖然結(jié)果不一定等同。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，其它的藻類(lèi)也可能包含所需要的成分，包括類(lèi)胡蘿卜素，蛋白質(zhì)和其它有機(jī)化合物。如果需要也可以按本發(fā)明提取，當(dāng)然結(jié)果也不一定等同。概括地說(shuō)，相信本發(fā)明的方案將適用于綠藻門(mén)和紅藻門(mén)的藻類(lèi)。
為方便讀者，下面的提綱列出了有待詳述的內(nèi)容和實(shí)施例。
I. 收獲水藻
II.破裂水藻細(xì)胞
III.可選擇地加入化學(xué)輔助劑和化學(xué)處理劑，但通常不必要
IV.從生長(zhǎng)培養(yǎng)基中機(jī)械過(guò)濾分離水藻
V.氣泡吸附分離使水藻脫水
A.總體設(shè)想
B.泡沫浮選
C.泡沫浮選環(huán)路系統(tǒng)
1.粗加工
2.濃縮
3.精制
D.機(jī)械和氣動(dòng)力浮選室概述
1.機(jī)械浮選室
2.氣動(dòng)力浮選室
a.Jameson室
b.多級(jí)環(huán)流浮選塔(MSTLFLO)
c.加拿大塔
d.空氣噴射水力旋流器(ASH)
e.EKOFLOT氣動(dòng)力浮選室
f.MicrocelTM微泡浮選塔
g.其它浮選裝置
E.優(yōu)越的泡沫浮選環(huán)路系統(tǒng)
VI.從濃縮的藻懸液中回收選定成分
A.對(duì)成分的純化和分離
B.β-胡蘿卜素和其它類(lèi)胡蘿卜素
C.產(chǎn)品和應(yīng)用
D.甘油，蛋白質(zhì)和其它成分
VII.實(shí)施例
A.在泵環(huán)路中細(xì)胞的破裂
B.深床過(guò)濾
C.微過(guò)濾
D.泡沫浮選
1.機(jī)械泡沫浮選法
2.氣動(dòng)力泡沫浮選法
a.Jameson室
b.多級(jí)環(huán)流泡沫浮選塔(MSTLFLO)
c.加拿大塔
d.空氣噴射水力旋流器(ASH)
E.回收有價(jià)值的成分
1.溶劑的分配系數(shù)
2.液相提取法
3.液相提取物質(zhì)傳遞動(dòng)力學(xué)
4.用苧烯連續(xù)提取類(lèi)胡蘿卜素
I.收獲水藻
返回到圖1，據(jù)步驟20，包含鹽沼杜氏藻懸液的供料鹽水流，是從其來(lái)源處獲得。供料流的獲得，通常是借助于泵將藻懸液從其來(lái)源處送至用于使藻脫水的設(shè)備中。一般來(lái)說(shuō)，可用離心泵收獲這種水藻，當(dāng)然也可用其它泵代替。離心泵是化學(xué)工業(yè)中用于轉(zhuǎn)移各類(lèi)液體的最廣泛使用的泵之一。
有時(shí)需要可移動(dòng)性收集泵，將藻懸液從其來(lái)源處轉(zhuǎn)移至脫水設(shè)備中。按此方式，本發(fā)明可運(yùn)用于收獲聚集的水藻帶。這種泵可以是浮動(dòng)泵或潛水泵，或者可安裝在容易定位在形成水藻聚集長(zhǎng)條處的浮箱或其它裝置上。
本發(fā)明的脫水方法主要依賴(lài)于應(yīng)用具有小移動(dòng)面積的泡沫浮選塔。由于其占地面積小，這種設(shè)備可安裝在平板卡車(chē)，拖車(chē)，浮箱，或其它易靈活轉(zhuǎn)移的裝置上，便于移動(dòng)到收集供料流的水泵位置或其附近。此設(shè)備可走向收獲位置，而不是等候收獲位置來(lái)到設(shè)備處。
所獲得的用于供料流的藻懸液濃度可在較寬的范圍變化，從稀懸液到較濃的懸液都可以。本發(fā)明能夠?qū)μ烊缓春统靥林械南≡鍛乙哼M(jìn)行脫水。例如，本發(fā)明可用于對(duì)從猶他州大鹽湖得到的鹽沼杜氏藻天然群體懸液進(jìn)行收獲和脫水。
在稀懸液中，每毫升生長(zhǎng)培養(yǎng)基中的細(xì)胞濃度有時(shí)可低至2000個(gè)細(xì)胞。應(yīng)用移動(dòng)性收集泵可減少獲得藻懸液的費(fèi)用，因?yàn)橐苿?dòng)性收集泵可走向藻聚集帶形成的位置。
本發(fā)明也可有效地對(duì)在粗放模式或精作模式池塘中養(yǎng)殖的較濃懸液進(jìn)行脫水，在其中細(xì)胞計(jì)數(shù)有時(shí)可達(dá)到每毫升生長(zhǎng)培養(yǎng)數(shù)百萬(wàn)個(gè)細(xì)胞。
II.破裂水藻細(xì)胞
一般說(shuō)來(lái)，在使懸液脫水之前，先使鹽沼杜氏藻細(xì)胞破裂是實(shí)用的，不論借助于氣泡吸附分離法或者深床過(guò)濾法都可以。如圖1的步驟22所示。從破裂的細(xì)胞得到了高回收率，每毫升懸液中混合類(lèi)胡蘿卜素的含量范圍在0.0003mg-0.3mg。這個(gè)范圍相當(dāng)于每毫升約2000-3,000,000個(gè)藻細(xì)胞。
破裂細(xì)胞可在有空氣的條件下進(jìn)行，但是，有沒(méi)有氧氣或氧化劑下進(jìn)行是有利的，以便盡量減少破裂細(xì)胞的成分對(duì)氧的暴露。對(duì)有用成分，包括類(lèi)胡蘿卜素的氧化作用基本上可以消除。適合的氣體包括那些對(duì)藻細(xì)胞成分惰性的氣體，如氮，二氧化碳，氬，和其它惰性氣體，以及這些氣體的混合物，普遍認(rèn)為這些氣體是化學(xué)惰性的。
為了回收類(lèi)胡蘿卜素，有必要在氣動(dòng)力泡沫浮選之前使細(xì)胞破裂。但是，應(yīng)該注意到，如下面所述，氣動(dòng)力浮選裝置可在使細(xì)胞破裂的狀態(tài)下運(yùn)行，因此不需要單獨(dú)的預(yù)先破裂步驟。在由機(jī)械泡沫浮選裝置轉(zhuǎn)子和定子的機(jī)械作用產(chǎn)生的切變應(yīng)力場(chǎng)中，可導(dǎo)致細(xì)胞破裂。對(duì)機(jī)械泡沫浮選裝置供給完整的細(xì)胞，得到了大于95％的可利用細(xì)胞回收率。不論在氣泡吸附分離過(guò)程之前或者之后，如果用深床過(guò)濾法濃縮藻懸液，那么，如果此深床有效地收集了藻細(xì)胞體，使細(xì)胞破裂通常是必要的。
任何適合的方法都可用于破裂這種細(xì)胞?？赏ㄟ^(guò)機(jī)械手段破裂這種細(xì)胞，包括使用高切變應(yīng)力混合機(jī)和French壓碎器。可以使懸液通過(guò)閥門(mén)在泵環(huán)路系統(tǒng)中循環(huán)而使細(xì)胞破裂。
還可以在高壓下使藻懸液通過(guò)Jameson室，作為第一階段的脫水步驟而使藻細(xì)胞破裂。在下面關(guān)于使藻懸液脫水的泡沫浮選技術(shù)中，將對(duì)Jameson室和它破裂細(xì)胞的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行論述。通過(guò)在Jameson室內(nèi)使水藻破裂，可避免單獨(dú)的破裂步驟。
使懸液通過(guò)泵環(huán)路系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)，可容易地通過(guò)使由收獲泵供給的一部分懸液再循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，此收獲泵是用于從來(lái)源處轉(zhuǎn)移鹽水至脫水設(shè)備的水泵。
圖2中顯示的是使懸液通過(guò)閥門(mén)在泵環(huán)路中循環(huán)，而使水藻細(xì)胞破裂的裝置。將在下面的實(shí)施例中對(duì)圖2進(jìn)行描述，它表明為了破裂泵環(huán)路中的水藻細(xì)胞，應(yīng)如何確定壓力差和再循環(huán)百分?jǐn)?shù)。
如圖2中所顯示，水藻懸液通過(guò)可能是離心泵的38，從來(lái)源處34被轉(zhuǎn)送至脫水裝置36。由泵輸出管道40對(duì)脫水裝置供應(yīng)鹽水。以泵輸出管道中的調(diào)節(jié)閥42用于調(diào)節(jié)壓力差。鹽水通過(guò)供料輸入管道44進(jìn)入脫水裝置。以再循環(huán)管道46從泵的輸出端提供再循環(huán)鹽水至泵輸入端。必要時(shí)可借助于泵環(huán)路中的閥50，改變通過(guò)再循環(huán)管道的流速，以便提供所要求的再循環(huán)百分?jǐn)?shù)。
二個(gè)參數(shù)控制通過(guò)使水藻懸液經(jīng)受壓力差而破裂的細(xì)胞數(shù)量。第一個(gè)參數(shù)是壓力差的大小。第二個(gè)參數(shù)是通過(guò)壓力差的次數(shù)。該破裂水藻的百分?jǐn)?shù)隨壓力差和再循環(huán)百分?jǐn)?shù)的增加而增加。在小于約200psig的壓力差下，為了達(dá)到大于40％的細(xì)胞破裂，多次通過(guò)是需要的。但是，當(dāng)再循環(huán)百分?jǐn)?shù)大于約100％時(shí)，在壓力差大于約150psig下運(yùn)轉(zhuǎn)似乎只有很小的效果。多次經(jīng)受壓力差可增加破裂細(xì)胞的百分?jǐn)?shù)。
已確定，以大約100％-300％的再循環(huán)百分?jǐn)?shù)，使水藻懸液經(jīng)受由泵環(huán)路提供的大約50-200psig壓力差，對(duì)破裂鹽沼杜氏藻是有效的。還已確定，以大約200％-300％的再循環(huán)百分?jǐn)?shù)，大約100-150psig的壓力差也是有效的。
III.可選擇地加入化學(xué)輔助劑和化學(xué)處理，但通常不必要
鑒于下面提到的各種原因，特別是從水藻所獲得的產(chǎn)品是用于營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物時(shí)，通常不希望以化學(xué)輔助劑和化學(xué)處理劑用于收獲水藻和使之脫水。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，在實(shí)施本發(fā)明的過(guò)程中，正常情況下不需要化學(xué)輔助劑和化學(xué)處理劑。根據(jù)本發(fā)明的另一些方面，通過(guò)實(shí)施在此所述的細(xì)胞破裂技術(shù)，對(duì)于脫水可避免使用化學(xué)輔助劑和化學(xué)處理劑。盡管如此，如果需要，化學(xué)輔助劑和化學(xué)處理劑作為一種選擇也可以采用。
由于各種目的要求和需要時(shí)，在脫水之前可對(duì)藻懸液加入化學(xué)輔助劑?？梢詫榱烁纳品蛛x效果而加入的化學(xué)輔助劑分為三類(lèi)凝結(jié)劑，表面修飾劑和預(yù)分散溶劑。為了回收類(lèi)胡蘿卜素，可在提取步驟之前的某個(gè)時(shí)間，包括在懸液脫水之前，將用于與下游提取步驟有關(guān)的溶劑分散在藻懸液中。這些溶劑被稱(chēng)為是預(yù)分散的。將在下面關(guān)于本發(fā)明的提取步驟中，對(duì)包括預(yù)分散溶劑在內(nèi)的溶劑進(jìn)行論述。為了產(chǎn)生更容易分離的較大的凝聚體，可加入凝集劑如離子凝聚劑和聚合絮凝劑。為使水藻更易漂浮，可加入表面修飾劑如泡沫發(fā)生劑和浮選捕集劑。
可在細(xì)胞破裂后，氣泡吸附分離之前將化學(xué)輔助劑加入混合裝置中。但是，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)踐，為了使鹽沼杜氏藻脫水不是必需使用不良的化學(xué)輔助劑。本發(fā)明實(shí)施的細(xì)胞破裂技術(shù)，足以使這種水藻脫水。
化學(xué)輔助劑可能對(duì)以藻成分制備的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物，以及對(duì)這種水藻在其中生長(zhǎng)的培養(yǎng)基的質(zhì)量和價(jià)值產(chǎn)生不利的影響。某些化學(xué)添加劑可能不適合用于生產(chǎn)營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物的過(guò)程中。由于使用化學(xué)輔助劑，對(duì)于水藻的生長(zhǎng)培養(yǎng)基和剩余的水藻會(huì)產(chǎn)生清除處理的問(wèn)題。例如，當(dāng)鹽水將返回湖泊時(shí)，在對(duì)取自大鹽湖的藻懸液脫水的過(guò)程中，將避免使用不良的化學(xué)輔助劑。
某些化學(xué)輔助劑從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)可能是不適合的。當(dāng)水藻是從天然湖泊和某些粗放模式池塘相當(dāng)稀的懸液中獲得時(shí)，為了凝集藻體需要大量的化學(xué)藥品如明礬。為了從藻體中分離出化學(xué)添加劑，一般都需要后續(xù)的分離處理，這將進(jìn)一步增加生產(chǎn)成本。
在正常情況下雖然不必要，但是，在泡沫浮選過(guò)程中，為了提高水藻的回收率，可以考慮適當(dāng)?shù)厥褂闷鹉瓌??？稍谶M(jìn)入泡沫浮選裝置之前將起沫劑加到氣相或液相中，或者直接加到泡沫浮選裝置內(nèi)的藻懸液中，以便增加泡沫的穩(wěn)定性并產(chǎn)生小氣泡。起沫劑的實(shí)例包括2-乙基己醇，甲基異丁基甲醇，也被分別稱(chēng)為MIBC和Dowfroth250。起沫劑Dowfroth250可從地處Michigan州Midland的Dow化學(xué)公司購(gòu)得。當(dāng)使用起沫劑時(shí)，則起沫劑的劑量可能隨藻懸液的脫水方式而改變。一般情況下起沫劑的劑量范圍是約5-25ppm。
但是，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，為了從鹽沼杜氏藻中回收類(lèi)胡蘿卜素，正常情況下不需要起沫劑。盡管不希望受到理論的束縛，但是據(jù)信，這種水藻含有在飽和鹽水中產(chǎn)生小氣泡的足夠濃度和表面活性劑效力的化合物。
可以用浮選捕集劑和抑制劑對(duì)供料流中的水藻加以制約，以便改善浮選的選擇性。例如，合乎要求的是，先于耐鹽菌或者其它不需要的競(jìng)爭(zhēng)性藻類(lèi)或捕食動(dòng)物，增加氣泡吸附鹽沼杜氏藻的選擇性。浮選捕集劑與藻體結(jié)合，將它們附著或吸附在氣泡表面，以便使藻體能隨氣泡而移動(dòng)。另一方面，浮選抑制劑與懸液中不需要的成分結(jié)合，可基本上防止它們附著于氣泡。當(dāng)存在相當(dāng)多的污染物時(shí)，使用浮選抑制劑是合乎要求的，否則它們將隨水藻一起被回收。
凝集劑包括合成的聚合物和離子凝聚劑。典型的離子凝聚劑包括明礬或三氯化鐵。一般來(lái)說(shuō)，理想地是避免使用凝集劑。在實(shí)施本發(fā)明中可認(rèn)為不需要凝集劑。但是，在本發(fā)明的許多情況下，取決于環(huán)境條件，可能確定它們是有利的，并可有利地被使用。例如，通過(guò)使用凝集劑，有時(shí)可改善從深床過(guò)濾基質(zhì)中對(duì)藻成分的回收。
IV.從生長(zhǎng)培養(yǎng)基中機(jī)械過(guò)濾分離水藻
再回到圖1，本發(fā)明的方法任選地可包括各種過(guò)濾步驟。不論在從鹽水中氣泡吸附分離水藻之前和之后，進(jìn)行機(jī)械過(guò)濾步驟都是有效的，如步驟24和28分別所示。一般情況下，可在氣泡吸附分離之前，通過(guò)應(yīng)用深床過(guò)濾將水藻懸液濃縮。在氣泡吸附分離之后，可通過(guò)微過(guò)濾再將藻懸液濃縮。但是，應(yīng)該理解的是，不論在氣泡吸附分離之前或之后，都可進(jìn)行其中任何一種過(guò)濾步驟，并且在某些情況下，氣泡吸附分離步驟可能不必要。但是，為了充分地濃縮藻懸液，獲得它的成分，氣泡吸附分離法通常是最經(jīng)濟(jì)的手段。
為了濃縮藻懸液達(dá)到在供料懸液中約1％固體的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的范圍，深床過(guò)濾法是一種有效的技術(shù)。超過(guò)這個(gè)范圍深床過(guò)濾法可能不大經(jīng)濟(jì)。隨著固體濃度增加，使從過(guò)濾基質(zhì)中回流清除固體變得越來(lái)越快。使濾器運(yùn)行促使液體通過(guò)塔柱的壓力變得更大。由于這個(gè)原因，深床過(guò)濾通常是用于在氣泡吸附分離之前濃縮藻懸浮，在氣泡吸附分離完成之后用處不大。
深床過(guò)濾依賴(lài)于顆粒狀基質(zhì)床，通常是沙床，在重力作用下，藻懸液通過(guò)它向下流動(dòng)。水藻沉積在顆粒狀基質(zhì)的孔中，以及顆?；|(zhì)之間的孔隙中。
不應(yīng)該把深床過(guò)濾同張力過(guò)濾(straining filtretion)混淆。在網(wǎng)格或織物的表面會(huì)出現(xiàn)張力(Straining)。但是，深床濾器在其容器內(nèi)充滿(mǎn)了顆粒，懸液流過(guò)時(shí)每個(gè)孔和間隙都具有保留藻細(xì)胞的機(jī)率。
適合的深床過(guò)濾基質(zhì)包括通常用于工業(yè)過(guò)濾的過(guò)濾基質(zhì)，如石英沙，石榴石沙，無(wú)煙煤，玻璃纖維，以及它們的混合物?？梢杂玫螓}水洗基質(zhì)，以便通過(guò)氣泡吸附分離法回收藻細(xì)胞，用于進(jìn)一步濃縮有用成分。
還可以使基質(zhì)與溶劑接觸，以便從捕獲的藻細(xì)胞中回收有用成分。下面在關(guān)于從鹽沼杜氏藻提取類(lèi)胡蘿卜素中論述的溶劑，應(yīng)該適用于從深床濾器中的藻體提取類(lèi)似的成分。
完整的細(xì)胞或者破裂細(xì)胞的成分都可以通過(guò)深床濾器回收。完整細(xì)胞可以在過(guò)濾之前通過(guò)使細(xì)胞絮凝來(lái)回收。但是如果在過(guò)濾之前使細(xì)胞破裂，回收率通常會(huì)有相當(dāng)大的改善。對(duì)于每毫升鹽水含有至少0.002mg類(lèi)胡蘿卜素的供料藻懸液，通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐已達(dá)到了大于70％的類(lèi)胡蘿卜素回收率。在實(shí)施例中列舉了一個(gè)按本發(fā)明的實(shí)踐應(yīng)用深床濾器的實(shí)例。
由于其它一些原因，使鹽沼杜氏藻中類(lèi)胡蘿卜素的濃度增加超過(guò)深床過(guò)濾或氣泡吸附分離法的實(shí)際范圍，可能對(duì)某些提取過(guò)程是有用的。一般來(lái)說(shuō)，氣泡吸附分離法對(duì)于類(lèi)胡蘿卜素的最大濃度，具有一個(gè)小于約10000ppm的實(shí)際上限。對(duì)于某些具有經(jīng)濟(jì)前途的純化方法，包括濃密氣體提取法，藻懸液中的類(lèi)胡蘿卜素濃度應(yīng)大于約10000ppm。
已確定微過(guò)濾可使鹽水鹽沼杜氏藻懸液中類(lèi)胡蘿卜素濃度增加，超過(guò)借助于氣泡吸附分離法正?？色@得的濃度，達(dá)到?jīng)]有可測(cè)知的在滲透中類(lèi)胡蘿卜素?fù)p失的數(shù)量級(jí)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)踐，通過(guò)實(shí)施微過(guò)濾已獲得了達(dá)到約20000ppm的濃度。圖3中顯示了微過(guò)濾穿流過(guò)程的圖解。用圖3中的裝置微過(guò)濾將在實(shí)施例VIIC中說(shuō)明。
如在圖3中所表示，將可能從例如泡沫浮選室得到的鹽沼杜氏藻鹽水懸液灌裝入貯存槽62中。通過(guò)泵64使槽中的懸液轉(zhuǎn)移至穿流微濾器66。在進(jìn)入此濾器之前，可任選地用熱交換器68使懸液冷卻。微濾器裝配有多孔膜，藻懸液透過(guò)膜被泵吸取。典型的膜可能包括陶瓷材料，例如氧化鋯，通常具有小于10微米的絕對(duì)孔徑值。
通常使這種膜材料成園柱形，懸液被泵推動(dòng)通過(guò)此園柱體。鹽水經(jīng)膜流過(guò)，作為滲透液流過(guò)管道69。藻體遺留在懸液中，流過(guò)園柱體作為保留液流過(guò)管道70。此保留液可返回貯存槽，并通過(guò)濾器循環(huán)幾次，直至達(dá)到足夠的濃度。另一種選擇是，可以將保留液送入另一級(jí)微濾器，或者通過(guò)管道72送入提取器。
類(lèi)胡蘿卜素微滴的直徑通常小于1/10微米，并預(yù)計(jì)會(huì)有明顯的損失在滲透液中。在來(lái)自泡沫浮選裝置的懸液中，藻體一般都已破裂，懸液有點(diǎn)成膠狀，預(yù)計(jì)正常情況下將迅速污染堵塞濾膜。盡管如此，通過(guò)實(shí)施本發(fā)明的方法，類(lèi)胡蘿卜素在滲透液中一般不能測(cè)出，并且，在流量開(kāi)始降低之后，跨膜流量仍然基本上恒定，沒(méi)有增加壓差。
可對(duì)供料液或保留液加入淡水，以便降低懸液中的鹽濃度。需要時(shí)還可增加補(bǔ)充過(guò)濾和稀釋步驟，以便在保留液中獲得要求的最終鹽濃度和類(lèi)胡蘿卜素濃度。稀釋后緊接過(guò)濾，有時(shí)被稱(chēng)為“滲濾”。圖4顯示對(duì)于微過(guò)濾和滲濾，流量對(duì)時(shí)間的曲線圖，將在下面實(shí)施例中論述。
V.氣泡吸附分離使水藻脫水
A.總體設(shè)想
現(xiàn)在再回到圖1。在藻細(xì)胞按照步驟22被破裂并任選地進(jìn)行過(guò)濾步驟24和28之后，如果需要按步驟26實(shí)施氣泡吸附分離，對(duì)藻懸液進(jìn)行必要的濃縮。
氣泡吸附分離是基于氣泡在藻懸液中通過(guò)時(shí)，藻細(xì)胞物質(zhì)選擇性地吸附在氣泡表面。氣泡上升形成泡沫，將藻物質(zhì)攜帶出，一般在上面。氣泡吸附分離法適用于從大量鹽水中取出小量的水藻。
存在多種氣泡分離技術(shù)，有些產(chǎn)生泡沫，有些不產(chǎn)生泡沫。一種適用于藻類(lèi)脫水的氣泡吸附分離技術(shù)，是被稱(chēng)為“泡沫浮選”的分散氣體浮選技術(shù)。將氣體分散進(jìn)入液體的一般化泡沫浮選技術(shù)的圖解顯示在圖5中。
可用于實(shí)施本發(fā)明的其它類(lèi)型氣泡吸附分離技術(shù)有電解浮選法和溶解氣體浮選法。但是應(yīng)該意識(shí)到，這些方法存在實(shí)用性范圍，并且它們也不一定與分散氣體浮選法等效。在電解浮選過(guò)程中，是借助于使電流通過(guò)將與藻分離的水性介質(zhì)來(lái)產(chǎn)生氣泡。如果水性介質(zhì)是濃鹽水，那么為了產(chǎn)生氣泡則可能需要相對(duì)較大的電流。在溶解氣體浮選過(guò)程中，是在一個(gè)單獨(dú)的容器內(nèi)，以壓力使氣體溶解于部分供料流中，然后將形成的混合物導(dǎo)入浮選罐中。突然降壓導(dǎo)致溶解的氣體集結(jié)成小氣泡。在鹽水中空氣的溶解度有點(diǎn)受限制，因此可另選對(duì)類(lèi)胡蘿卜素沒(méi)有不利影響的溶解度較大的氣體，例如氦氣。
B.泡沫浮選
如圖5中所顯示的，泡沫浮選裝置包括氣泡發(fā)生區(qū)84，收集區(qū)88，和泡沫區(qū)90。某些區(qū)或所有的這些區(qū)可以或者不可以占有相同的容器。供料流80從收集區(qū)86或者從氣泡發(fā)生區(qū)84進(jìn)入泡沫浮選裝置，取決于所選用的設(shè)備。在二種情況下氣體都是通過(guò)氣泡發(fā)生區(qū)散布于收集區(qū)的藻懸液中，在液體中產(chǎn)生二相分散的氣體。理想的是產(chǎn)生大量小氣泡，使之在一定容量的藻懸液中，形成可供與藻體碰撞的最大的氣體表面面積。
在收集區(qū)內(nèi)，藻懸液在促進(jìn)其密切接觸的條件下，同小氣泡接觸。氣泡同藻體碰撞，形成氣泡和藻的凝集體。理想的是在收集區(qū)內(nèi)形成濃密的混合，以便提供高頻率的碰撞。
在收集區(qū)內(nèi)形成了氣泡和藻的凝集體之后，然后在分離區(qū)88內(nèi)將它們從沒(méi)有藻細(xì)胞的鹽水中分離出來(lái)，通常是借助于重力作用。氣體的密度比鹽水的密度小2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。密度差促使氣泡和藻的凝集體浮至氣體和液體分散的表面，在泡沫區(qū)90的表面凝集體積聚成泡沫。
富含類(lèi)胡蘿卜素的泡沫以液流93流出泡沫區(qū)。通常以圖6中所示的收集洗滌罐122接收泡沫區(qū)的流出液，在此泡沫破裂消失。底下的液流92是沒(méi)有藻細(xì)胞的鹽水，從下面流出浮選裝置，可以被再循環(huán)或者棄去。
適合用于氣泡吸附分離裝置的氣體應(yīng)該是無(wú)毒，無(wú)危險(xiǎn)性的，包括空氣，氮?dú)?，二氧化碳，氦，氬和其它惰性氣體以及它們的混合物，一般認(rèn)為這些氣體是化學(xué)惰性的。為了避免對(duì)細(xì)胞凝塊中類(lèi)胡蘿卜素的氧化作用，特別要使用不含氧或氧化劑的惰性氣體。
C.泡沫浮選環(huán)路系統(tǒng)
泡沫浮選裝置可以以浮選環(huán)路的形式使用，使之對(duì)藻體中的有用成分達(dá)到最大的回收率和濃縮。通過(guò)應(yīng)用浮選環(huán)路達(dá)到高回收率和高濃縮倍數(shù)，可補(bǔ)償浮選法相當(dāng)高的能耗成本。
圖6中圖解顯示了一個(gè)泡沫浮選環(huán)路，泡沫浮選塔以可用于同氣動(dòng)力泡沫浮洗法連接的串聯(lián)方式相連接。但是應(yīng)說(shuō)明的是，所顯示的原理普遍地適用于泡沫浮選環(huán)路系統(tǒng)，包括機(jī)械的和氣動(dòng)力的泡沫浮選設(shè)備。
圖6中顯示的泡沫浮選環(huán)路包括粗加工區(qū)94，濃縮區(qū)96，和精選區(qū)98。三個(gè)區(qū)域中浮選罐的功能取決于它在環(huán)路中的位置。藻懸液以供料流102的形式進(jìn)入粗選罐100。來(lái)自粗選罐上面的液流對(duì)初始濃縮罐106提供供料流104。藻濃縮物從末端濃縮罐108通過(guò)液流110排出。為了提高類(lèi)胡蘿卜素的回收率，由來(lái)自初始濃縮罐106的底流液，提供精選供料流112給初始精選罐114。沒(méi)有藻細(xì)胞的鹽水廢棄液流，作為底流分別從粗選罐100和末端精選罐116排出，如底流118和120?？砂葱枰峁┒嗉?jí)濃縮罐和精選罐，以便得到最佳的產(chǎn)品回收率和濃度。如果需要可取消精選罐。另一種方法是，來(lái)自粗選罐的底流液118，可作為供料流提供給初始精選罐114，在精選區(qū)98內(nèi)加工處理。這種情況下，如果需要，可使來(lái)自初始濃縮罐106的底流液再循環(huán)至粗選罐100，或者作為廢棄液流排出，或者進(jìn)入對(duì)初始精選罐的供料流。
1.粗選
在粗選區(qū)94內(nèi)粗選罐100發(fā)揮初級(jí)泡沫浮選的作用，用于從鹽水中分離出藻細(xì)胞。粗選的目的是產(chǎn)生高藻細(xì)胞回收率，而適度地提高其濃度。因此，粗選器通常在使有用產(chǎn)物的回收率最大，而具適當(dāng)濃縮倍數(shù)的條件下運(yùn)行。與作為濃縮器發(fā)揮功能的浮選裝置相比較，作為粗選器發(fā)揮功能的浮選裝置通常在較高的表面氣流速度和較薄的泡沫厚度下運(yùn)行。
作為供料流102被吸取進(jìn)粗選罐的藻懸液，可取自藻生長(zhǎng)的來(lái)源處，包括天然存在的湖泊或池塘，或者也可取自其它一些來(lái)源處，包括精作模式和粗放模式的池塘。如前面所述，需要時(shí)可對(duì)懸液作預(yù)處理，以便使細(xì)胞破裂或?qū)}水作機(jī)械過(guò)濾?；罴?xì)胞，完整的細(xì)胞或破裂的細(xì)胞，或者各種的組合物，都可以提供給粗選罐。如果預(yù)先沒(méi)有實(shí)行破裂步驟，粗選器的運(yùn)行應(yīng)該使粗選罐內(nèi)所供給的絕大多數(shù)細(xì)胞破裂。
形成的氣泡和藻的凝集體浮到氣體和液體懸液的表面，在這里它們聚集成濃縮的泡沫。濃縮物溢出粗選罐進(jìn)入收集洗滌器122，然后進(jìn)入貯液罐，如圖11 252所示。來(lái)自粗選罐的底流液118可以再循環(huán)至鹽水來(lái)源處，棄去，或者還可以通過(guò)一級(jí)或幾級(jí)并聯(lián)排列的浮選裝置進(jìn)一步處理。
2.濃縮
從粗選區(qū)94作為粗選罐100溢流流出的藻懸液104，通過(guò)一級(jí)或幾級(jí)顯示為串聯(lián)連接的濃縮罐106，124，和108，使之進(jìn)一步富集類(lèi)胡蘿卜素。濃縮區(qū)的目的是為了產(chǎn)生可回收富集胡蘿卜素的藻濃縮物。藻細(xì)胞被濃縮在浮在每個(gè)濃縮罐上面的泡沫中。來(lái)自濃縮罐106和124的表面溢流對(duì)下一級(jí)濃縮罐提供進(jìn)料流。其底流液通常再循環(huán)至對(duì)前一級(jí)濃縮罐的供料流中。通過(guò)用本發(fā)明的方法浮選，通?？蛇_(dá)到至少約2000ppm的類(lèi)胡蘿卜素濃度。
濃縮區(qū)可以只有單個(gè)泡沫浮選罐，或者也可以包括多個(gè)浮選罐，以串聯(lián)或并聯(lián)方式接受供料流。來(lái)自濃縮罐的底流液，依據(jù)底流液中類(lèi)胡蘿卜素的濃度，或者棄去，返回粗選區(qū)，返回前一級(jí)濃縮罐，通過(guò)一個(gè)或幾個(gè)以串聯(lián)或并聯(lián)方式排列的精選罐，或者不作處理。
3.精選
在精選區(qū)98內(nèi)，收集否則將在底流液中丟失的類(lèi)胡蘿卜素，使產(chǎn)品的回收率達(dá)到最大。使來(lái)自精選區(qū)的濃縮物126再循環(huán)至濃縮區(qū)，而來(lái)自精選區(qū)的底流液通常被棄去或者返回到鹽水來(lái)源處。精選區(qū)可以是單個(gè)泡沫浮選罐，或者也可以包括多個(gè)以串聯(lián)或并聯(lián)方式接受供料流的浮選罐。
圖6中所顯示的是，包括以串聯(lián)方式連接的三個(gè)精選罐114，128和116的精選區(qū)98。對(duì)精選罐的進(jìn)料提供如前面所述。分別來(lái)自精選罐114和128的底流液130和132，以串聯(lián)的方式對(duì)下一級(jí)精選罐提供進(jìn)料流。來(lái)自每個(gè)精選罐的表面溢流液126對(duì)濃縮區(qū)提供進(jìn)料。
D.機(jī)械和氣動(dòng)力浮選室概述
適合的泡沫浮選裝置包括可購(gòu)得的用于使氣體和液體接觸的設(shè)備。可將這些也被稱(chēng)為“室”的裝置分為二大類(lèi)，機(jī)械浮選室和氣動(dòng)力浮選室。機(jī)械浮選室一般包括轉(zhuǎn)子和定子的機(jī)械作用，用于分散氣體，并提供氣泡和藻體的有效接觸。在機(jī)械浮選室內(nèi)，旋轉(zhuǎn)的葉輪當(dāng)以足夠的速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生切變應(yīng)力場(chǎng)，使藻體在其中破裂。如果葉輪以足夠的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，則不需要單獨(dú)的破裂步驟。
氣動(dòng)力浮選室以此浮選裝置內(nèi)不存在旋轉(zhuǎn)的葉輪而最容易區(qū)別于機(jī)械浮選室。在氣動(dòng)力浮選室內(nèi)，僅通過(guò)加入氣體引起氣泡和藻體碰撞，沒(méi)有任何轉(zhuǎn)動(dòng)部分。一般在氣動(dòng)力浮選之前需要一個(gè)破裂步驟。但是如下面所述，當(dāng)氣動(dòng)力浮選室在適合的條件下運(yùn)行時(shí)，那么可在室內(nèi)使藻體破裂。后續(xù)的氣動(dòng)力浮選室可作為濃縮器和精選器而運(yùn)行，不需要以類(lèi)似上面的條件運(yùn)行，因?yàn)樵弩w已經(jīng)破裂。
氣動(dòng)力浮選室和機(jī)械浮選室都可用于泡沫浮選環(huán)路的任何位置，或者全都用一種浮選室，取決于設(shè)備的性能和分離的目的。但是，氣動(dòng)力浮選室一般比機(jī)械浮選室優(yōu)越。與機(jī)械浮選裝置相比較，對(duì)于給定的設(shè)備容量和能量輸入，氣動(dòng)力浮選裝置可獲得較高的回收率和生產(chǎn)能力，這樣通?？蓪?dǎo)致基本投資和運(yùn)行成本降低。氣動(dòng)力裝置可用價(jià)廉的輕塑料制造，可進(jìn)一步節(jié)省費(fèi)用并便于移動(dòng)。這些優(yōu)點(diǎn)及其它方面將在下面進(jìn)一步論述。
在此所述的機(jī)械的和氣動(dòng)的浮選室有幾個(gè)共同的運(yùn)行參數(shù)，包括氣相表面速度Jg；氣體與供料液之比；在浮選裝置內(nèi)的液體保留時(shí)間；浮選輔助劑的用量；浮選氣體的性質(zhì)。幾種設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)各種泡沫浮選裝置也是共同的，包括收集區(qū)縱橫尺寸比；分離區(qū)縱橫尺寸比；相接觸的方法，包括同向并流，相對(duì)流動(dòng)，交叉流動(dòng)和機(jī)械混合；從漿液中分離氣泡和藻凝集體的方法；以及產(chǎn)生氣泡的方法。
泡沫浮選裝置的性能，可根據(jù)泡沫中類(lèi)胡蘿卜素的濃度和類(lèi)胡蘿卜素的回收率作定量鑒定。有幾個(gè)幾何參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)每種類(lèi)型的泡沫浮選裝置是特定的，但是上述主要參數(shù)對(duì)在此所述浮選法的全部范圍是共同的。
1.機(jī)械浮選室
機(jī)械浮選室134的流體動(dòng)力學(xué)特征顯示在圖7中。機(jī)械浮選室通常采用轉(zhuǎn)子和定子機(jī)構(gòu)136，用于吸入氣體，產(chǎn)生氣泡，以及提供使氣泡和藻體碰撞的液體循環(huán)。被稱(chēng)為“縱橫尺寸比”的容器高度與直徑之比通常為大約0.7-2。通常是4個(gè)或更多一點(diǎn)類(lèi)似于圖7中的浮選室134，每個(gè)都具有安裝在中心的轉(zhuǎn)子和定子機(jī)構(gòu)136，將它們以串聯(lián)方式排列，以便基本上接近完全混合，并因此使液相短路達(dá)到最小。通常還安裝一臺(tái)輔助氣壓機(jī)，以便對(duì)浮選室提供足夠的氣流。
機(jī)械浮選室內(nèi)，收集區(qū)150和分離區(qū)152是分別在同一個(gè)容器內(nèi)。如果需要，可將機(jī)械浮選室密封，以便于運(yùn)轉(zhuǎn)和氣體再循環(huán)，所述氣體基本上不含氧化類(lèi)胡蘿卜素。
借助于用作氣泡發(fā)生器的旋轉(zhuǎn)葉輪138，氣體被分散成小氣泡。旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)，吸引氣體通過(guò)吸管148流入收集區(qū)150，在此氣體被分散成小氣泡，并且當(dāng)它從室底部開(kāi)始循環(huán)時(shí)，而與藻懸液混合。
藻懸液通過(guò)供料箱141作為供料流140進(jìn)入機(jī)械浮選室。由旋轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生的渦流引起氣泡和藻體接觸。氣泡和藻的凝集體從收集區(qū)150出來(lái)，進(jìn)入分離區(qū)152，此區(qū)是相對(duì)靜止的，在此凝集體浮至表面，與液相分開(kāi)。
借助于重力氣泡和藻的凝集體與液相分開(kāi)，并且作為濃集類(lèi)胡蘿卜素的泡沫聚集在浮選室頂部泡沫區(qū)154中。濃集類(lèi)胡蘿卜素的泡沫作為藻濃縮物流144被取出。正常情況下泡沫在室上部浮流進(jìn)入收集洗滌器。另一種方法是，可借助于機(jī)械手段如用泡沫葉片抽取泡沫。使液相再循環(huán)進(jìn)入收集區(qū)，最后作為沒(méi)有藻細(xì)胞的鹽水底流146退出浮選室。
適當(dāng)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子和定子機(jī)構(gòu)能吸入適當(dāng)量的氣體，將它分散成小氣泡，并使氣體與液體混合，實(shí)現(xiàn)藻體和氣泡之間的充分接觸。為了提供高效率的氣泡和藻體碰撞以及良好的浮選性能，在二相混合區(qū)內(nèi)良好的混合和足夠的液體保留時(shí)間是必要的。
在機(jī)械浮選室內(nèi)，Jg被定義為容積氣體流速除以平行于泡沫和液體界面的浮選室橫截面積。當(dāng)Jg值增加時(shí)，液相內(nèi)氣體容納量增加，而泡沫減少，可能導(dǎo)致較快的浮選動(dòng)力學(xué)過(guò)程，但是降低了在無(wú)氣體的基底泡沫中類(lèi)胡蘿卜素的濃度。為了從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，Jg值的范圍是大約0.1-5cm/s。通常更典型的Jg值是約2cm/s-4cm/s。
液體保留時(shí)間被定義為機(jī)械浮選室內(nèi)分散的容積除以容積液流速度。較長(zhǎng)的保留時(shí)間，可獲得泡沫中較高的類(lèi)胡蘿卜素回收率。為了從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的保留時(shí)間范圍是大約3-12分鐘。通常更典型的是保留時(shí)間大于5分鐘。
小的氣體與供料比率的優(yōu)點(diǎn)是可減小機(jī)械浮選室中設(shè)備的容積和氣壓機(jī)的費(fèi)用。為了從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，氣體與供料之比的范圍是約5-20。通常更典型的氣體與供料之比是約5-15。
葉輪頂端的速度影響氣泡的大小以及通過(guò)收集區(qū)的再循環(huán)速度。當(dāng)頂端的速度增加時(shí)，氣泡體積減小，通過(guò)收集區(qū)的再循環(huán)速度增加。但是，較高的頂端速度將導(dǎo)致較大的機(jī)械磨損和為了驅(qū)動(dòng)葉輪較高的動(dòng)力需求。在高頂端速度下，氣泡和藻的凝集體可能裂開(kāi)。為了從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，頂端速度的范圍是大約每分鐘900-2500呎。通常更典型的頂端速度是約1500-1800呎/分鐘。約每分鐘1500呎以上的頂端速度可用于破裂這種藻細(xì)胞體。
對(duì)于機(jī)械浮選室有四個(gè)基本的幾何參數(shù)。這些幾何參數(shù)是1)轉(zhuǎn)子浸沒(méi)深度與液體深度之比，2)罐直徑與葉輪直徑之比，3)液體深度與罐直徑之比，4)轉(zhuǎn)子和定子機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。為了從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，轉(zhuǎn)子浸沒(méi)深度與液體深度之比的范圍是大約0.7和0.75。罐直徑與葉輪直徑之比的范圍是約1.5-5.5。更常使用的罐直徑與葉輪直徑之比是大約2。液體深度與罐直徑之比的范圍是大約0.6-0.9。更典型的液體深度與罐直徑之比是大約0.8-0.9。
轉(zhuǎn)子和定子機(jī)構(gòu)可用如下公司生產(chǎn)的Dorr-oliver Incorporeted ofMillford，Connecticut；作為Svedala of Colorado Springs，Colorado分部的Denver Equipment Company；猶他州鹽湖城的Wemco Products；以及Outomec Oy of Espoo，F(xiàn)inland。
2.氣動(dòng)力浮選室
氣動(dòng)力浮選室有幾個(gè)方面不同于機(jī)械攪拌的浮選室?？山柚诒绢I(lǐng)域已知的任何非機(jī)械手段在氣動(dòng)力浮選室內(nèi)產(chǎn)生氣泡?？赏ㄟ^(guò)多孔管?chē)娚?，小孔板，文氏噴射管或靜電混合器產(chǎn)生氣泡。當(dāng)使用靜電混合器時(shí)，通常是使起沫劑溶液同氣體混合。
某些氣動(dòng)力浮選室比機(jī)械浮選室產(chǎn)生更小的氣泡。因此，在氣動(dòng)力浮選室碰撞頻率可能較高，浮選所需要的保留時(shí)間普遍較短。
與機(jī)械浮選室相比較，氣動(dòng)力浮選室，特別是浮選塔，通常具有較高的縱橫尺寸比。對(duì)于氣動(dòng)力室，容器高度與直徑之比一般較大。氣動(dòng)力裝置可能在較深的泡沫床上運(yùn)行，使之可增加排放時(shí)間，并具有較干較濃的泡沫。可將洗滌水加到泡沫中以便提高產(chǎn)品純度，因?yàn)橥ǔＨ萜鞯母叨缺热萜鞯闹睆礁蟆?br> 氣動(dòng)力浮選室優(yōu)于機(jī)械浮選室的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，重量較輕，材料和構(gòu)建的成本較低。氣動(dòng)力浮選容器可用價(jià)廉的輕塑料構(gòu)造，由于沒(méi)有葉輪和驅(qū)動(dòng)器使重量和成本進(jìn)一步降低。因?yàn)椴恍枰b配機(jī)械的轉(zhuǎn)子和定子用于產(chǎn)生氣泡和促使氣體與液體接觸，與機(jī)械浮選室相比較，氣動(dòng)力浮選室的基本投資和運(yùn)行成本可能明顯比較低。
一般來(lái)說(shuō)，氣動(dòng)力浮選室作為濃縮器時(shí)，可能以收集限制狀態(tài)或攜帶能力限制狀態(tài)運(yùn)行。對(duì)于收集限制狀態(tài)，微粒收集速度受氣泡和藻體間的碰撞次數(shù)限制。對(duì)于攜帶能力限制狀態(tài)，氣泡表面已被藻物質(zhì)飽和。因此，微粒收集速度受塔內(nèi)氣泡表面積增加速度的限制。有利的狀態(tài)是產(chǎn)生其表面積接近被藻物質(zhì)飽和狀態(tài)的泡沫，因?yàn)檫@樣適合于使送往回收處理的鹽水容量減到最小。
參照?qǐng)D5，需要時(shí)可對(duì)供料液作機(jī)械或化學(xué)處理，使藻體更易上浮。在氣泡發(fā)生區(qū)內(nèi)，借助于氣泡發(fā)生器使氣體分散成小氣泡。對(duì)于泡沫浮選裝置，氣泡發(fā)生器可以是內(nèi)置的，或者是外置的。內(nèi)置氣泡發(fā)生器的例子是多孔管?chē)娚淦?。外置氣泡發(fā)生器的例子是靜電混合器，其中是使氣體與起沫劑溶液混合。
氣泡和藻懸液供料進(jìn)入收集區(qū)，在此氣泡和藻體發(fā)生碰撞，形成氣泡和藻的凝集體?？山柚跉庀嗪鸵合嗟南鄬?duì)流動(dòng)或平行流動(dòng)，或者借助于氣動(dòng)力混合實(shí)現(xiàn)氣泡和藻體的碰撞。凝集體通過(guò)分離區(qū)上浮至液體和泡沫的界面，并進(jìn)入泡沫區(qū)，在此氣體容量迅速增強(qiáng)。
使泡沫與洗滌水接觸，以便使攜帶的疏水微粒和供給的水與泡沫中的藻體分離，使富集生物量的泡沫離開(kāi)此裝置。液體成為沒(méi)有生物量的底流液從裝置的底部流出。
空氣或惰性浮選氣體，在氣動(dòng)力浮選裝置內(nèi)可容易地再循環(huán)使用。通過(guò)對(duì)收集槽加蓋可使氣體再循環(huán)使用。為了產(chǎn)生小氣泡，可將起沫劑加到液相或氣相中。
有幾種可獲得的氣動(dòng)力浮選裝置，可用于本發(fā)明從鹽沼杜氏藻中使藻體脫水并回收類(lèi)胡蘿卜素。這些裝置中有的是具有縱橫尺寸比大于1的塔，它具有上述氣動(dòng)力裝置的許多優(yōu)點(diǎn)。下面將對(duì)某些氣動(dòng)力浮選室及其在本發(fā)明中的用途進(jìn)行論述。
氣動(dòng)力浮選室包括導(dǎo)氣浮選室和空氣噴射水力旋轉(zhuǎn)器，或稱(chēng)為“ASH”。在導(dǎo)氣浮選室中，借助于使液體和氣體通過(guò)室底部的噴射管，將氣體分散到液體中。ASH利用氣體通過(guò)多孔壁轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生泡沫，上浮流出。
a.Jameson室
圖8中顯示一個(gè)單獨(dú)的下導(dǎo)管式Jameson室156。在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5,188,726；5,332,100；和4,938,865中描述了Jameson室，在此將這些專(zhuān)利的內(nèi)容全部引入作為參考。用于本發(fā)明從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，在Jameson室產(chǎn)生的泡沫中，在無(wú)氣體的基礎(chǔ)上這種藻類(lèi)物質(zhì)的含量為約60ppm至重量的13％。
Jameson室主要由二部分組成。第一個(gè)組成部分是下導(dǎo)管(downcomer)158，它通常是一個(gè)直徑約100-280mm，長(zhǎng)約3m的豎筒。第二個(gè)組成部分是立式罐(riser)160。此立式罐是一個(gè)下導(dǎo)管向其中排液的槽。立式罐的直徑一般比下導(dǎo)管的直徑大得多。按另一種方式，多根下導(dǎo)管可能在同一個(gè)立式罐內(nèi)排放。
Jameson室的下導(dǎo)管相當(dāng)于收集區(qū)86(圖5)，一般具有縱橫尺寸比約10-30。立式罐包括分離區(qū)88(圖5)和泡沫區(qū)90(圖5)，它的縱橫尺寸比通常是約0.5-5。相接觸方法是在下導(dǎo)管內(nèi)向下的多相平行流。在立式罐內(nèi)氣泡和藻的凝集體借助于應(yīng)力與沒(méi)有藻細(xì)胞的鹽水分離。通過(guò)高速?lài)娚涫箽怏w在液相中傳送和分散，結(jié)果在下導(dǎo)管內(nèi)產(chǎn)生氣泡。
供料藻懸液通過(guò)管道162進(jìn)入下導(dǎo)管的上端，通過(guò)小孔板164形成高速液體噴射。由于下導(dǎo)管上部空間的壓力低于大氣壓，氣體通過(guò)管道168被吸入下導(dǎo)管的上部空間166。噴射流沖擊下導(dǎo)管的液面，使氣體傳輸進(jìn)入液相。借助于由噴射流動(dòng)量擴(kuò)散產(chǎn)生的高速度梯度，輸入的氣體被分散成小氣泡。氣體和液體通過(guò)下導(dǎo)管在二相流中轉(zhuǎn)移。二相流在豎直管內(nèi)緊靠平行向下的堵塞流，導(dǎo)致氣泡和藻體相互碰撞而形成氣泡和藻的凝集體。然后多相分散體由下導(dǎo)管底部進(jìn)入立式罐內(nèi)。
Jameson室運(yùn)行時(shí)，使立式罐內(nèi)液體平面170稍高于下導(dǎo)管的末端172，以例保持一個(gè)液體封閉層。在立式罐內(nèi)氣泡和藻的凝集體與鹽水分離開(kāi)。凝集體上浮至立式罐的表面，在此它們聚集成泡沫層174，在罐上部浮流進(jìn)入收集洗槽176。沒(méi)有藻細(xì)胞的鹽水在罐下部形成底流178。
立式罐的深度可按要求使泡沫中產(chǎn)物的回收和濃度達(dá)到最佳狀態(tài)。對(duì)于具有直徑小于約500微米的非常小的氣泡，為了避免凝集體吸入底流178，立式罐可能需要較深。為了高回收運(yùn)行，泡沫層深度可低至50mm，但是一般的深度范圍是約300-800mm?？蓪?duì)泡沫層加入洗滌水180，以便提高濃縮物的純度。Jameson室可以以空氣運(yùn)行，或者可以密閉，以使類(lèi)胡蘿卜素降解最小的氣體運(yùn)行。
一般情況下，Jameson室的運(yùn)行條件，特別是立式罐表面的氣體速度Jg，隨所要求的功能類(lèi)型不同而改變，如粗選，精選，或者凈化處理。
Jameson室的Jg被定義為立式罐內(nèi)表面氣體速度，等于容積氣體速度除以平行于泡沫和液體界面的立式罐橫截面積。所選擇的室Jg應(yīng)能對(duì)立式罐內(nèi)的氣泡和藻的凝集體提供足夠的分離作用，并保證泡沫的穩(wěn)定性。Jg最大值是在泡沫涌入時(shí)，此時(shí)分離區(qū)和泡沫區(qū)內(nèi)氣體容量值相等，導(dǎo)致界面消失。在室內(nèi)充滿(mǎn)之前，在較高的Jg值下可能引起氣泡和藻的凝集體相當(dāng)多地輸入底流178，表示回收率的損失。最小的Jg值取決于產(chǎn)生穩(wěn)定泡沫的需要。如果氣體速度太低，泡沫可能瓦解，導(dǎo)致在立式罐160內(nèi)凝集體相當(dāng)多地再輸入分離區(qū)。
立式罐的表面氣體速度取決于系統(tǒng)的特性和所選擇的功能類(lèi)型。為了以粗選器的功能使鹽沼杜氏藻脫水，Jg值的范圍是約0.1-1.0cm/sec。作為粗選器更典型的Jg值是大約0.3-0.5cm/sec。為了以濃縮器的功能使鹽沼杜氏藻脫水，Jg值的范圍是約0.05-0.5cm/sec。作為濃縮器更典型的Jg值是大約0.1-0.35cm/sec。
據(jù)信這種相當(dāng)?shù)偷谋砻鏆怏w速度，至少部分原因是由于這種藻內(nèi)存在表面活性劑。高濃度的表面活性劑可以在較低的Jg值下引起泡沫涌入。出乎意料的是，浮選類(lèi)胡蘿卜素要求如此低的Jg值。更出乎意料的是，這種藻內(nèi)天然存在的起沫劑具有足夠的濃度和表面活性劑能力，甚至在以NaCl飽和的鹽水中也足以促進(jìn)對(duì)類(lèi)胡蘿卜素的浮選。
Jameson室內(nèi)下導(dǎo)管的表面速度可從供料流速度和下導(dǎo)管的橫截面積計(jì)算出。下導(dǎo)管的保留時(shí)間是一個(gè)密切相關(guān)的參數(shù)，被定義為下導(dǎo)管的容積除以容積供料速度。這二個(gè)參數(shù)的數(shù)值都直接影響設(shè)備的生產(chǎn)能力和性能。較長(zhǎng)的保留時(shí)間，也意味著具有較低的表面速度，有助于提高藻細(xì)胞的收集效率，因此而提高對(duì)泡沫中類(lèi)胡蘿卜素的回收率。短的保留時(shí)間和高表面速度可增加塔柱的生產(chǎn)能力。
為了從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，下導(dǎo)管的表面速度范圍是大約0.1-0.4m/s。保留時(shí)間的變化范圍是約9-30秒。為了從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，在作為粗選器和精選器功能時(shí)的Jameson室中，下導(dǎo)管表面速度和保留時(shí)間值一般分別為約0.15-0.3m/s，和10-20秒。對(duì)于作為濃縮器功能時(shí)的Jameson室，下導(dǎo)管表面速度和保留時(shí)間值分別是約0.1-0.2m/s，和15-25秒。
氣體對(duì)供料液的比率被定義為氣體容積流速與液體容積流速之比。降低Jameson室中氣體對(duì)供料液的比率，對(duì)塔柱產(chǎn)生穩(wěn)定化作用，因?yàn)榭尚纬删哂写笮》植几恢碌母〉臍馀荨．?dāng)氣體對(duì)供料液的比率增加時(shí)，則產(chǎn)生具有較小比表面積和較寬大小分布的較大的氣泡。最后形成了對(duì)抗向下液流的大氣泡。
為了從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，對(duì)于粗選，精選，和濃縮器功能的Jameson室，氣體對(duì)供料液的比率范圍大約是0.3-0.9。對(duì)于二種應(yīng)用更通常的氣體對(duì)供料液的比率是約0.4-0.7。
下導(dǎo)管入口處供料流的壓力決定了噴射的速度。為了從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，如果先用機(jī)械預(yù)處理使藻體破裂，并使它們更易上浮，則供料流壓力可在大約20-60psig內(nèi)變化。更通常的數(shù)值范圍對(duì)于粗選和精選功能的是約50-60psig，對(duì)于濃縮器功能的是約20-25psig。
為了從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，對(duì)于粗選，精選，和濃縮器功能，噴射的速度范圍是大約8-25m/s。對(duì)于粗選和精選器功能更通常的速度范圍是大約10-20m/s，對(duì)于濃縮器功能是大約8-15m/s。
Jameson室的二個(gè)設(shè)計(jì)比率是下導(dǎo)管直徑對(duì)噴嘴孔徑之比，和立式罐直徑對(duì)下導(dǎo)管直徑之比。為了從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，下導(dǎo)管直徑對(duì)噴嘴孔徑的比率范圍是大約7-13。約8-10的比值更常見(jiàn)。為了從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，立式罐直徑對(duì)下導(dǎo)管直徑的比率范圍是大約2-10。大于約5的比值更常見(jiàn)。
還可能在較高的供料流壓力下運(yùn)行Jameson室，使之不需要單獨(dú)的破裂步驟。以高供料壓力運(yùn)行Jameson室，以便在噴射孔內(nèi)使藻體破裂，而不需要為了使藻體更易浮選進(jìn)行任何機(jī)械的或化學(xué)的預(yù)處理步驟。高壓范圍可規(guī)定為大于60psig的供料壓力。一般情況下，為了使細(xì)胞破裂，Jameson室是在約150-300psig的供料壓力下運(yùn)行。
通過(guò)在噴射管內(nèi)安裝一片比通常更小的小孔板，可使Jameson室在大于60psig的供料壓力運(yùn)行。但是，高噴射速度常常會(huì)使產(chǎn)生的氣泡太小而不能在立式罐中分離出，導(dǎo)致氣泡和藻的凝集體被送入底流178中(圖8)。當(dāng)在這種高供料壓力下運(yùn)行時(shí)，可能有必要安裝一個(gè)擴(kuò)散噴霧嘴或隔板，以便偏轉(zhuǎn)向下的噴射動(dòng)量。
噴射流在下導(dǎo)管的上端通過(guò)噴嘴的速度，可從Bernoulli公式計(jì)算出。噴射流由三個(gè)區(qū)間組成自由噴射流(free jet)，堵塞噴射流(Plunging jet)和混合區(qū)。當(dāng)供料流通過(guò)小孔板進(jìn)入下導(dǎo)管時(shí)，供料流是處于自由流的形式。自由噴射流在上部空間形成一個(gè)低壓區(qū)，并將氣體運(yùn)送到噴射流表面。噴射流在此沖擊液體表面的區(qū)域被稱(chēng)為堵塞噴射流，在此氣體被運(yùn)送進(jìn)入液體。在液面下的混合區(qū)中，噴射流的動(dòng)量被耗散了。形成的高速度梯度使送入的氣體分裂成小氣泡。
b.多級(jí)環(huán)流浮選(MSTLFLO)塔
多環(huán)環(huán)流浮選塔182被顯示在圖9中。MSTLFLO是一種改進(jìn)的氣泡塔，由如下幾部分組成用于將氣體導(dǎo)入塔底部的噴霧器184；一串安裝在塔內(nèi)的直立的具隔板吸取管186，188和190；分別位于吸取管186，188和190頂部的隔板192，194和196，可形成適合的流體動(dòng)力學(xué)狀態(tài)；供料分配器198；以及收集洗槽200，它也是同心地安裝在塔柱上。在1995年“分離技術(shù)”第5卷，題目為“用于廢水處理的多環(huán)路浮選塔”的論文中，D.X.He，F(xiàn).X.Ding，H.Hu，and S.H.Chiang描述了這種MSTLFLO塔。在此將Heetal的此論文全部引入作為參考。
MSTLFLO塔的主要設(shè)計(jì)特征是多級(jí)吸取管的排列。來(lái)自管道185的氣體在塔底部的吸取管內(nèi)形成噴霧，導(dǎo)致與吸取管和塔壁間的環(huán)形區(qū)202內(nèi)相比較，吸取管內(nèi)部具有較高的氣體容量。這種氣體容量差異造成了一種循環(huán)模式。氣體和液體的分散相向上流進(jìn)作為立式罐功能的吸取管內(nèi)部的區(qū)域204，并向下流進(jìn)作為下導(dǎo)管的環(huán)形區(qū)202內(nèi)。下導(dǎo)管內(nèi)的氣液流靠近向下的多相并行堵塞流。使軸向混合減少的環(huán)流流體動(dòng)力導(dǎo)致形成了較一致的氣泡大小分散。與也稱(chēng)為加拿大塔的傳統(tǒng)的氣泡浮選塔相比較，MSTLFLO塔的浮選動(dòng)力學(xué)有所改進(jìn)，前者不包括吸取管。氣泡塔被顯示在圖10中。去掉吸取管可將MSTLFLO塔轉(zhuǎn)變成氣泡塔。
收集區(qū)86和分離區(qū)88(圖5)分別在MSTLFLO塔的相同容器內(nèi)。此容量具有大于5的縱橫尺寸比。盡管不希望被理論所局限，但是可以認(rèn)為MSTLFLO塔內(nèi)的收集區(qū)域是各吸取管的下導(dǎo)管和立式罐，在其中存在多相并行堵塞流。該塔的分離區(qū)是在供料分配器198的上面，和氣液界面的下面。凝集體收集在泡沫和液體界面上的泡沫區(qū)中，上浮流進(jìn)塔的收集槽200中。泡沫瓦解后形成濃縮的藻懸液，可通過(guò)管道206流出。經(jīng)回收而沒(méi)有藻細(xì)胞的鹽水從塔底部通過(guò)管道208作為底流排出。
在MSTLFLO內(nèi)，表面氣體速度Jg被定義為容積氣體流速除以塔柱的橫截面積。當(dāng)Jg增加時(shí)，多相分散體內(nèi)氣體容納量也增加，導(dǎo)致較高的藻體回收效率。但是，隨著Jg增加，泡沫中的氣體容納量減少，因?yàn)樯仙臍馀輸y帶更多的水進(jìn)入泡沫。當(dāng)接近Jg最大值時(shí)，泡沫內(nèi)和氣液分散體內(nèi)氣體的容納量成為相等，導(dǎo)致塔被充滿(mǎn)，界面喪失。
為了從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，Jg值的范圍是約0.1-1.0cm/s。更通常的值是大約0.2-0.5cm/s。出乎意料的是，浮選類(lèi)胡蘿卜素要求如此低的Jg值。更出乎意料的是，這種藻內(nèi)天然存在的起沫劑具有足夠的濃度和表面活性劑能力，甚至在以NaCl飽和的并存在其它離子的鹽水中，也足以促進(jìn)對(duì)類(lèi)胡蘿卜素的浮選。
液體保留時(shí)間被定義為MSTLFLO塔的容積除以容積液體供料速度。長(zhǎng)保留時(shí)間可在泡沫內(nèi)獲得類(lèi)胡蘿卜素的高回收率。短保留時(shí)間增加塔的產(chǎn)生量。為了從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，按收集限制方式，液體保留時(shí)間的范圍是約2-20分鐘。按攜帶能力限制方式該保留時(shí)間大于20分鐘。
在MSTLFLO塔中，應(yīng)用低氣體對(duì)供料液比率的優(yōu)點(diǎn)包括減少設(shè)備容量和氣體壓縮的費(fèi)用。用于從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，氣體對(duì)供料液體比率的范圍是大約0.10-1.5。更通常的比率值是約0.2-0.8。如此低的氣體對(duì)供料液比率是令人吃驚的，對(duì)類(lèi)胡蘿卜素的浮選是有利的。
在惰性氣體二氧化碳，氮，氦或?qū)︻?lèi)胡蘿卜素氧化作用最小的惰性氣體下運(yùn)行MSTLFLO塔可能是有益的。與用空氣相比較，用二氧化碳可改善浮選的動(dòng)力學(xué)。
多級(jí)吸取管是用于減小塔中的軸向混合，使短路減到最小，因此改善塔的性能。用于從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素，級(jí)數(shù)范圍是約1-5級(jí)。通常使用的都多于1級(jí)。
用于從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素的吸取管直徑對(duì)塔柱直徑的比值范圍是約0.5-0.9。在從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素中，更通常的比值是約0.5-0.7。
從鹽沼杜氏藻中浮選類(lèi)胡蘿卜素可產(chǎn)生相當(dāng)穩(wěn)定的泡沫。為了容納這些泡沫需要具有相當(dāng)大橫截面積的洗槽。洗槽直徑對(duì)塔柱直徑為2的比率可用于從鹽沼杜氏藻中回收類(lèi)胡蘿卜素。此比率正常情況下應(yīng)大于1.25。
c.加拿大塔
也被稱(chēng)為傳統(tǒng)塔或氣泡塔的加拿大塔被顯示在圖10中。氣泡塔210的直徑通常是約0.5-3.0米，高度約9-15米。橫截面可以是方形或圓形。
供料藻懸液通過(guò)位于泡沫和液體界面124下約1-2米的管道212進(jìn)入塔內(nèi)，向下流。氣體通過(guò)管道216進(jìn)入塔底部，并且通常是借助于噴霧氣218被分散成小氣泡。為了使對(duì)類(lèi)胡蘿卜素的降解作用減到最小，可使用包括二氧化碳，氮，氦，或惰性氣體在內(nèi)的不活潑氣體?？諝庖话憧梢宰鳛槿?18所示的內(nèi)部噴霧，直接注入塔底部，或者在作為外部噴霧注入之前，先使空氣同水，藻懸液，起沫劑溶液或它們的組合物接觸。內(nèi)部噴霧器通常由覆蓋織物如濾布的多孔管，或者由多孔橡皮裝配成。
氣體和藻懸液的逆向流動(dòng)導(dǎo)致氣泡和藻體在收集區(qū)86(圖5)內(nèi)碰撞，收集區(qū)被定義為在供料分配器222(圖10)下面的區(qū)域。對(duì)于此塔分離區(qū)是在供料分配器222的上面和泡沫與液體界面214的下面。凝集體收集在泡沫和液體界面上面的泡沫區(qū)內(nèi)，在塔上部浮流進(jìn)入收集洗槽226。泡沫瓦解形成濃縮的藻懸液，通過(guò)管道228流出。沒(méi)有藻細(xì)胞的鹽水在塔下部成底流220。
這種塔可在任何所希望的泡沫深度下運(yùn)行，雖然在實(shí)施中通常所用的泡沫深度范圍是50-100cm。為了從藻體生物量中分離出所攜帶的親水顆粒，可對(duì)泡沫加入洗滌水，如224所示。為了達(dá)到最大的凈化效果，這種塔一般在正偏壓下運(yùn)行，這意味著存在一個(gè)通過(guò)泡沫的凈向下水流。此偏壓水流通過(guò)底流離開(kāi)塔體。底流的流速應(yīng)該大于供料流速，以便保持泡沫和液體的界面水平。
d.空氣噴霧水力旋流器(ASH)
為了根據(jù)本發(fā)明從鹽沼杜氏藻中回收類(lèi)胡蘿卜素，對(duì)于ASH單元在無(wú)氣體的基礎(chǔ)上，泡沫中藻濃縮物的含量范圍按重量是大約0.001％-0.3％。ASH由一個(gè)具有多孔壁的園柱形水力旋流器組成，由一個(gè)切向供料入口對(duì)此水力旋流器供料，通過(guò)多孔壁壓縮氣體進(jìn)入此單元內(nèi)。傾斜的泡沫底管位于此旋流器基部，這樣可使底流的橫截面積易于改變。不同直徑的渦流探測(cè)器都可用于控制泡沫移出的速度。
供料液在旋流器頂部沿切線方面進(jìn)入ASH單元，并在從底部通過(guò)開(kāi)放的環(huán)形底流流出之前，沿著螺線形路徑流動(dòng)。通過(guò)使氣體通過(guò)多孔板產(chǎn)生氣泡。藻體和氣泡間的碰撞發(fā)生在外渦流區(qū)內(nèi)，此區(qū)確定為收集區(qū)86(圖5)。當(dāng)液體向水力旋流器底部流動(dòng)時(shí)，氣相和液相以交叉流動(dòng)方式相互接觸。在分離區(qū)88(圖5)內(nèi)，應(yīng)用離心力使氣泡和藻的凝集體從已沒(méi)有藻細(xì)胞的鹽水中分離出，可把內(nèi)外渦流之間的不明確區(qū)域看作是分離區(qū)。氣泡和藻的凝集體被轉(zhuǎn)移至泡沫區(qū)90(圖5)，形成內(nèi)渦流向上運(yùn)動(dòng)，從旋流器頂部排出。
對(duì)于ASH單元，Jg被定義為通過(guò)膜的容積氣體流速除以膜的橫截面積。用于從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素的Jg值范圍為約0.7-6cm/s。更通常的Jg值是大于約3cm/s。
對(duì)于ASH單元，液體保留時(shí)間被定義為ASH單位的容積除以液體容積流速。用于從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素的保留時(shí)間范圍是大約1-10秒。
用于從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素的氣體對(duì)供料液的比率范圍是大約0.4-6。更通常的比率值是大于3。
e.EKOFLOT氣動(dòng)力浮選室
將供料藻懸液80(圖5)泵至塔的頂部，通過(guò)作為氣泡發(fā)生區(qū)84(圖5)的文氏噴射管裝置。將氣體輸入藻懸液，形成的混合物向下通過(guò)供料管，在此絕大多數(shù)氣泡和藻體發(fā)生碰撞。這種供料管具有收集區(qū)86(圖5)的功能。含有氣泡和藻凝集體的液體和氣體分散體，流過(guò)分配器進(jìn)入分離區(qū)88(圖5)，它是在一個(gè)單獨(dú)的容器內(nèi)。凝集體上浮至表面，在此它們聚集成泡沫區(qū)90(圖5)。已沒(méi)有藻細(xì)胞的鹽水在容器下部作為底流92(圖5)流出。
泡沫收集器象一個(gè)倒置的園錐體，可以上升和下降，改變泡沫區(qū)的大小，以便達(dá)到最佳分離?？墒古菽c洗滌水接觸，以便提高產(chǎn)品純度。經(jīng)凈化的泡沫從容器的上部流入收集洗槽，在此作為濃縮物被取出。在分離區(qū)內(nèi)保留時(shí)間的范圍是2-3分鐘，類(lèi)似于在Jameson室內(nèi)的保留時(shí)間。但是，在Jameson室下導(dǎo)管中的保留時(shí)間通常是約5-10秒。在EKOFLOT容器的通氣裝置內(nèi)保留時(shí)間是在毫秒的數(shù)量級(jí)。在EKOFLOT室的通氣裝置內(nèi)氣泡和藻體發(fā)生碰撞，可被認(rèn)為是收集區(qū)。
f.MicrocelTM微氣泡浮選塔
在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)4,981,582和5,167,798中描述了MicrocelTM塔，在此將它們的內(nèi)容全部引入作為參考。MicrocelTM塔由地處Pennsylvania州Pittsburgh的ICF Kaiser工程公司制造。這種塔由如下各部分組成位于塔底的通氣區(qū)；通氣區(qū)上面的單向隔板，它允許微小氣泡上升進(jìn)入液體，但阻止固體沉降進(jìn)入通氣區(qū)；收集區(qū)；以及泡沫區(qū)。供料藻懸液80(圖5)從泡沫和液體界面的下部進(jìn)入塔中，向下流動(dòng)。氣體82(圖5)借助于微小氣泡發(fā)生器在塔外部分散于液體中，微小氣泡發(fā)生器的功能是作為氣泡發(fā)生區(qū)84(圖5)。適合的液體包括供料藻懸液80，底流液92，泡沫發(fā)生劑溶液，或它們的組合液。微小氣泡由這種外置的噴霧器產(chǎn)生，氣泡大小范圍50-400微米。然后微小氣泡被導(dǎo)入通氣區(qū)。
用于發(fā)生微小氣泡的液體通過(guò)出口排出已沒(méi)有氣泡的通氣區(qū)，并通常再循環(huán)至微小氣泡發(fā)生器。微小氣泡通過(guò)單向隔板離開(kāi)通氣區(qū)，在這里它們進(jìn)入位于供料分配器下面和通氣區(qū)上面的收集區(qū)86(圖5)。因?yàn)闅馀莸捏w積小，在收集區(qū)內(nèi)流動(dòng)基本上是靜止的，導(dǎo)致藻懸液和微小氣泡的有效逆向?qū)α鹘佑|。已沒(méi)有藻細(xì)胞的鹽水通過(guò)單向隔板中的出口作為底流液流出。氣泡和藻的凝集體通過(guò)收集區(qū)上升，聚集在泡沫區(qū)內(nèi)。可對(duì)泡沫加入洗滌水，以便從藻生物量中分離出攜帶的親水性微粒。富含類(lèi)胡蘿卜素的泡沫從塔上面流入收集洗槽，作為濃縮物從這里流出。
微小氣泡發(fā)生器由一系列小葉片組成，小葉片被安裝成能使液體頻繁地改變方向。類(lèi)似于靜電混合器的設(shè)計(jì)。液體以相當(dāng)高的速度被泵吸通過(guò)混合器，同時(shí)在液體進(jìn)入混合器之前，將所需量的氣體定量輸入液體管道。液體切變力使氣體分散成微小氣泡。應(yīng)用這種技術(shù)，可產(chǎn)生在1體積的基礎(chǔ)上含有大于50％氣體的微小氣泡懸液。
g.其它浮選裝置
除了上述特定的機(jī)械和氣動(dòng)力浮選裝置之外，還有很多應(yīng)用本發(fā)明原理的浮選裝置在此不逐一敘述。其它的這種裝置與上述裝置的差別主要只是在細(xì)節(jié)上，如它們具有不同的幾何外形，或者采用不同的方式使氣泡和藻細(xì)胞體接觸，使相分離，或產(chǎn)生氣泡。
無(wú)論選擇氣泡吸附分離技術(shù)，深床過(guò)濾法和微過(guò)濾法的何種組合形式，考慮到包括經(jīng)濟(jì)因素在內(nèi)的許多因素，都應(yīng)該將藻懸液濃縮到能提供最具吸引力方法的水平。從未濃縮的藻懸液中作成分提取是不實(shí)際的，因?yàn)樾枰篌w積的容器供懸浮與溶劑接觸，或者是因?yàn)樾枰罅康娜軇?。深床過(guò)濾，氣泡吸附分離和微過(guò)濾可以聯(lián)合使用，單獨(dú)使用，或者與其它技術(shù)聯(lián)合使用，用于使藻懸液脫水達(dá)到所希望的便于提取，經(jīng)濟(jì)節(jié)約的濃度。
E.優(yōu)越的泡沫浮選環(huán)路
將氣泡吸附分離技術(shù)，特別是泡沫浮洗技術(shù)用于回收類(lèi)胡蘿卜素的目的之一是為了產(chǎn)生具有盡可能最高濃度類(lèi)胡蘿卜素的泡沫。任何泡沫浮選裝置都可能用于浮選環(huán)路中的任何部位。但是，上述的泡沫浮選法在泡沫中濃縮類(lèi)胡蘿卜素的能力不一定相等。下面將參照?qǐng)D11描述一個(gè)用于使包括鹽沼杜氏藻的藻類(lèi)脫水的簡(jiǎn)便泡沫浮選環(huán)路。Jameson室被用作粗選器230和第一級(jí)濃縮器232。MSTLFLO塔被用作第二級(jí)濃縮器234，其以串聯(lián)方式連接于Jameson室濃縮器232。如前面所述，為了便于獲得藻供料液，這種Jameson室和MSTLFLO塔可安裝在浮箱，拖車(chē)，或其它易移動(dòng)的裝置上。
如圖11中所示，鹽水中鹽沼杜氏藻的供料液流236是從其來(lái)源處獲得。此來(lái)源可以是天然存在的，包括猶他州大鹽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過(guò)使用離心泵獲得，所述泵可以是一種易浮移的泵。供料液通過(guò)泵238微吸取至Jameson室粗選器230的供料入口240。
在供料液進(jìn)入Jameson室粗選器之前，在如前面所述的泵環(huán)路或通過(guò)其它機(jī)械作用使藻體破裂。
泡沫被收集在收集洗槽248中，然后被瓦解并按常規(guī)吸出，或者通過(guò)泡沫泵250泵吸至貯存罐252貯存，作為對(duì)Jameson室濃縮器232的富含類(lèi)胡蘿卜素的供料液253。底流液254可被棄去或返回來(lái)源處，或者按前面V.C關(guān)于浮選環(huán)路的更概括論述中所述的進(jìn)行處理。
將富含類(lèi)胡蘿卜素的供料液流253通過(guò)供料入口256泵吸至Jameson室濃縮器，并在Jameson室中被分離。一般可產(chǎn)生比粗選器230中更干的泡沫。富含類(lèi)胡蘿卜素的液流258被貯存在對(duì)MSTLFLO塔濃縮器234供料的貯存罐260中。底流液262按類(lèi)似于粗選器底流液的方式處理。
富含類(lèi)胡蘿卜素的供料流264從貯存罐260被泵吸通過(guò)供料入口266對(duì)MSTLFLO濃縮塔234供料，并如前面所述在其中被分離。產(chǎn)生了進(jìn)一步濃集類(lèi)胡蘿卜素的更干的泡沫，被收集貯存于貯存罐268內(nèi)供進(jìn)一步處理。進(jìn)一步處理可包括前面所述的微過(guò)濾，以便使藻體進(jìn)一步脫水，或者借助于下面所述的任何一種方法進(jìn)行提取。
如前面所述的微過(guò)濾器270以及后面緊隨的濃密氣體提取單元272也被顯示在圖11中。微過(guò)濾增加類(lèi)胡蘿卜素濃度超過(guò)泡沫浮選環(huán)路1個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到在保留液流274中約20000ppm，此濃度適合于濃密氣體提取。滲透液流276是廢鹽水液，可被棄去或者返回獲得供料液的湖泊或池塘，取決于是否有化學(xué)添加劑存在于廢鹽水中。
保留液流274作為供料流被泵入濃密氣體提取單元272。在此所用的濃密氣體是二氧化碳，將此氣體按被認(rèn)為是技術(shù)人員熟知的方式，以對(duì)供料液流逆向流動(dòng)供氣，在下面關(guān)于濃密氣體提取中將進(jìn)一步論述。來(lái)自濃密氣體提取單元的底流278是提取殘余液，是已沒(méi)有類(lèi)胡蘿卜素的廢液，可棄去，或者按照下面VI中關(guān)于從已提取出類(lèi)胡蘿卜素的細(xì)胞團(tuán)塊中提取產(chǎn)物的論述，作進(jìn)一步處理。
來(lái)自濃密氣體提取單元的提取物280，在塔上部流動(dòng)，并使其膨脹進(jìn)入分離器282，以便從濃密氣體中分離出混合類(lèi)胡蘿卜素產(chǎn)物?；旌项?lèi)胡蘿卜素作為底流284排出分離器。濃密氣體286從上部排出分離器，并通過(guò)壓縮機(jī)再循環(huán)進(jìn)入濃密氣體提取單元的底部?；旌项?lèi)胡蘿卜素產(chǎn)物可如下所述作進(jìn)一步處理，以便回收特定的類(lèi)胡蘿卜素。
VI.從濃縮的藻懸液中回收選定成分
返回到圖1步驟30和32，可應(yīng)用多種溶劑，借助于幾種提取技術(shù)中的任何一種，從濃縮的藻懸液中回收類(lèi)胡蘿卜素?？蓮娜缦录夹g(shù)中選擇提取方法液/液提取法；固/液提取法，也被稱(chēng)為浸提；液/液/固提取法，是一種三元相提取，其中在固體物質(zhì)存在的情況下形成了二個(gè)不混溶的液相；以及濃密氣體提取法，如上面所述。
任何在濃度大于約100ppm下與水不混溶的有機(jī)溶劑，應(yīng)該都適用于從鹽沼杜氏藻鹽水懸液中提取類(lèi)胡蘿卜素。應(yīng)該是一種至少不會(huì)有害地改變類(lèi)胡蘿卜素物理化學(xué)特征的有機(jī)溶劑。溶劑可選自合成的和天然的香味劑(flavorants)，食用油，石油化學(xué)產(chǎn)品，濃密氣體，以及它們的組合物，只要結(jié)果能形成一個(gè)具有二元或多元不混溶相的系統(tǒng)。但是，鑒于下述的各種原因，其中某些溶劑比其它一些溶劑更理想，并且所獲得的結(jié)果也不一定等同。
石油化學(xué)溶劑一般都具有低粘滯性，溶劑分子的擴(kuò)散性也適合。類(lèi)胡蘿卜素在石油化學(xué)溶劑中通常是高度可溶的，有可能實(shí)現(xiàn)濃縮提取。石油化學(xué)溶劑包括脂肪烴如己烷，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(diǎn)醇；芳香族化合物包括苯和甲苯；以及其它許多石油化學(xué)溶劑，不逐一列舉。如果需要還可應(yīng)用石油化學(xué)溶劑的組合物。
但是，應(yīng)該意識(shí)到，作為用于提取制備營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物類(lèi)胡蘿卜素的溶劑，普遍認(rèn)為石油化學(xué)溶劑是不理想的。正常情況下借助于層析法，溶劑的殘留至少在某種程度上是可以除去的。然而，使用來(lái)源于石油的化合物處理營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物，并且在營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物內(nèi)存在石油殘留物，這對(duì)于許多人是不能接受的。
從營(yíng)養(yǎng)的觀點(diǎn)食用油優(yōu)于石油化學(xué)溶劑。食用油可從植物或包括魚(yú)油的動(dòng)物來(lái)源獲得。食用植物油溶劑包括玉米油，橄欖油，大豆油，紅花油，葵花油，和其它多種油。如果需要可使用食用油的組合物。
但是，與石油化學(xué)溶劑相比較，食用油一般比較粘稠，并且此溶劑的分子擴(kuò)散性也較低。正常情況下類(lèi)胡蘿卜素在食用油內(nèi)僅有有限的溶解度，沒(méi)有可能改變類(lèi)胡蘿卜素化學(xué)和物理特征的處理步驟，包括采用過(guò)度加熱，就難以達(dá)到濃縮提取的目的。
與石油化學(xué)溶劑和食用油相比較，合成的和天然的香味劑通常較理想。對(duì)于營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物天然來(lái)源的香味劑具有吸引力。被“香料和提取物制造者協(xié)會(huì)”，或稱(chēng)為“FEMA”，定為“一般認(rèn)為是安全的”或“GRAS”的香味劑，對(duì)于營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物沒(méi)有石油化學(xué)溶劑的缺點(diǎn)。與石油化學(xué)溶劑相比較在營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物中存在殘留的香味劑溶劑一般是可以接受的，這樣可降低下游程序中純化和回收的成本?？梢赃x擇與石油化學(xué)溶劑的沸點(diǎn)，粘滯性和分子擴(kuò)散性相當(dāng)?shù)南阄秳?br> 適合于本發(fā)明的香味劑包括例如，具有包括如下羧酸成分的甲酯，乙酯，丙酯，丁酯，異丁酯，芐基酯，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，和異戊酸。其它香味劑的例子包括，但不局限于苯甲醛，其它醛類(lèi)，苧烯，和其它的萜烯類(lèi)。如果需要，也可使用香味劑的組合物。
典型提取步驟的工藝流程圖被顯示在圖12中。在溶劑提取的起始步驟300中，使?jié)饪s的藻懸液與溶劑相接觸。類(lèi)胡蘿卜素從鹽水中被轉(zhuǎn)移至第二液相中，這就是提取液或溶劑相，提取過(guò)程通常導(dǎo)致形成二相和一個(gè)殘片層，如步驟302中所述。藻殘片層位于粗提取物相和提余液相之間，粗提取物相含有類(lèi)胡蘿卜素和溶劑，提余液相富含鹽水，并通常含有微量類(lèi)胡蘿卜素，藻殘余物中一般富含葉綠素，甘油，磷脂和蛋白質(zhì)，可棄去或者根據(jù)步驟310進(jìn)一步處理，回收這些成分。
提取可分批進(jìn)行或連續(xù)進(jìn)行。已證明批量提取法是有益的。將有機(jī)相和水相充分振蕩，以致使基本上全部類(lèi)胡蘿卜素都被提取進(jìn)入有機(jī)相，然后停止振蕩。使分散體沉降而形成明顯的三個(gè)區(qū)，提余液層，提取物層，和殘片層?？赏ㄟ^(guò)仔細(xì)地傾倒使此三層分開(kāi)，用于進(jìn)一步處理，如下面所略述。
多種提取設(shè)備可用于連續(xù)提取，包括單獨(dú)和多級(jí)混合器及沉降器；離心提取器，由地處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，和旋轉(zhuǎn)園盤(pán)塔的提取塔，均由地處New YorkParasippany的Glitsch技術(shù)公司制造，Kuhni塔，由Switzerland，Allschwil的Kuhni公司制造，以及組合的多孔板塔。
重力沉降對(duì)連續(xù)提取過(guò)程是有用的。雖然在離心力或重力場(chǎng)內(nèi)可達(dá)到粗分離的目的，但重力沉降通常成本較低。加入凝結(jié)劑有助于傾析。提余液可被進(jìn)一步凝結(jié)，以便回收一些外加的溶劑，可在被再循環(huán)至生物反應(yīng)器之前，或返回池塘之前將它們吸出，取決于所實(shí)施的養(yǎng)殖類(lèi)型。凝結(jié)器，液/液/固離心機(jī)，浮選室，和液/液旋流器也可用于從鹽水中回收溶劑，或者使鹽水再循環(huán)至浮選裝置內(nèi)凈化。
此提取法可用于在任何預(yù)先濃縮步驟之后從鹽水中提取類(lèi)胡蘿卜素，包括前面所述的任何濃縮步驟，或者從未處理的鹽水中提取類(lèi)胡蘿卜素，對(duì)此提取法就是收獲產(chǎn)品的方法。在后一種情況下，來(lái)自?xún)A析器的溶劑再循環(huán)，可用于增加混合器中溶劑對(duì)供料液的比率。
如果需要，可對(duì)水相作預(yù)處理，以便使被提取進(jìn)入有機(jī)相的葉綠素減到最小量。可在提取之前，用堿如NaOH處理含有此生物量的水相，以便使葉綠素皂化，防止它隨類(lèi)胡蘿卜素被提取進(jìn)入有機(jī)相。另一方面，為了防止葉綠素被提取進(jìn)入有機(jī)相，還可將含有此生物量的水相酸化。
可在一次或幾次脫水步驟之前將溶劑分散到藻懸液中。在這種情況下，可認(rèn)為是提取溶劑被預(yù)分散，供料液預(yù)先進(jìn)入了提取狀態(tài)。例如，可在開(kāi)始進(jìn)行氣泡吸附分離之前，將溶劑預(yù)分散到藻懸液中。
A.對(duì)成分的純化和分離
如上面所述，使類(lèi)胡蘿卜素的粗提取物層與殘片層和提余液層分離。為了回收有用成分的純化制備物，可分別處理富含類(lèi)胡蘿卜素和粗提取物層和富含甘油和蛋白質(zhì)的殘片層?？苫厥盏某煞职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)和其它成分。用于純化粗提取物的各種技術(shù)對(duì)技術(shù)人員應(yīng)該是熟知的。
根據(jù)步驟312，可借助于一種或幾種技術(shù)將粗提取物進(jìn)一步濃縮，包括通過(guò)閃蒸法(flash)，蒸餾法，涂膜蒸發(fā)法(wiped filmevaporation)，短徑蒸餾法(short path distillation)和分子蒸餾法使溶劑蒸發(fā)。適當(dāng)選擇的溶劑將使這種濃縮步驟能在低溫下操作，低溫下類(lèi)胡蘿卜素不會(huì)降解或再異構(gòu)化。處理粗提取物的優(yōu)選方法取決于對(duì)產(chǎn)品的要求。
類(lèi)胡蘿卜素可直接從濃縮步驟312作為固相物收集，或者根據(jù)步驟314通過(guò)溶劑交換將類(lèi)胡蘿卜素再分散于食用油中。需要時(shí)根據(jù)步驟316將混合類(lèi)胡蘿卜素產(chǎn)品純化?？稍谔崛∏盎蛱崛『?，以及在蒸發(fā)之前，將食用油同香味劑混合，這樣可使要求量的香味劑蒸發(fā)掉，遺留類(lèi)胡蘿卜素在食用油中。食用油可以是動(dòng)物油，或者是植物油，包括橄欖油，菜籽油，花生油，大豆油，紅花油，葵花油，棕櫚油，玉米油，及它們的混合物。按這種方式，基本上可免除為了產(chǎn)生更濃縮的類(lèi)胡蘿卜素懸液，用昂貴的分子蒸餾法蒸餾食用油的需要。
B.β-胡蘿卜素和其它類(lèi)胡蘿卜素
混合類(lèi)胡蘿卜類(lèi)的食用油懸液可以作為人的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充物和食品著色劑銷(xiāo)售，并可用于食品強(qiáng)化。另一方面，通過(guò)后續(xù)的分離步驟，包括下述的步驟，可生產(chǎn)具有各種類(lèi)胡蘿卜素不同濃度比率的產(chǎn)品?？山柚趯游龇▽⒋痔崛∥锛兓?，再將得到的組分結(jié)晶，回收類(lèi)胡蘿卜素和溶劑。輔助性設(shè)備處理可包括結(jié)晶，超臨界液相層析，反相層析，和高效液相層析，HPLC。
這些輔助設(shè)備的處理可生產(chǎn)多種產(chǎn)品。超臨界液相層析可分離出全反式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，以及β-胡蘿卜素的順式異構(gòu)體。反相層析可用于分離葉黃素，玉米黃質(zhì)，β-隱黃質(zhì)，海膽酮，番茄紅素，α-胡蘿卜素，以及β-胡蘿卜素。HPLC可用于分離β-胡蘿卜素，海膽酮，斑蝥黃質(zhì)，巖藻黃質(zhì)，以及蝦紅素，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。HPLC和超臨界液相層析聯(lián)合，可用于分離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(guò)在活化的氧化鋁柱上分離其異構(gòu)體，可制備由按重量至少40％9-順式異構(gòu)體和小于50％全反式異構(gòu)體組成的高純度β-胡蘿卜素提取物。通過(guò)以非極性溶劑結(jié)晶全反式異構(gòu)體，可制備由按重量至少75％9-順式異構(gòu)體組成的富含9-順式異構(gòu)體的提取物。通過(guò)從粗提取物中回收溶劑和將此類(lèi)胡蘿卜素再懸浮于最小量非極性溶劑中，可制備高純度β-胡蘿卜素提取物。此溶劑可選自乙烷，己烷，庚烷，辛烷和石油醚。然后使此非極性提取物通過(guò)活化的氧化鋁柱，收集各組分。含有橙/紅色類(lèi)胡蘿卜素主帶的組分被首先洗脫出。收集各組分，真空下使溶劑蒸發(fā)，得到高純度天然β-胡蘿卜素產(chǎn)品，通常由50％全反式異構(gòu)體，40％9-順式異構(gòu)體和3％其它β-胡蘿卜素異構(gòu)體，以及5％α-胡蘿卜素和2％其它類(lèi)胡蘿卜素組成。在β-胡蘿卜素組分之后洗脫出淡黃色類(lèi)胡蘿卜素，包括一些β-胡蘿卜素。
可通過(guò)間歇地洗此柱，以便取出全部未被洗脫的極性類(lèi)胡蘿卜素，脂質(zhì)，和葉綠素。高純度天然9-順式β-胡蘿卜素制備步驟如下將高純度天然β-胡蘿卜素產(chǎn)品溶解于最小量溫?zé)嶂?0℃-50℃的非極性溶劑中，以便使β-胡蘿卜素溶解，然后將此溶劑冷卻至-20℃，以便優(yōu)先結(jié)晶全反式異構(gòu)體，最后分離此固相和液相?？梢灾貜?fù)結(jié)晶步驟，以便提高結(jié)晶和上清液的純度。使溶劑從上清液中蒸發(fā)，得到富含9-順式異構(gòu)體的制備物，達(dá)到至少75％的重量濃度。
C.產(chǎn)品和應(yīng)用
通過(guò)本發(fā)明的方法獲得的β-胡蘿卜素和其它類(lèi)胡蘿卜素，可配制成許多種產(chǎn)品出售?？蓪婌F干燥的鹽沼杜氏藻粉末摻入動(dòng)物飼料?？傻玫礁鞣N濃度類(lèi)胡蘿卜素在油中懸液的產(chǎn)品，還可以是微囊包裹的類(lèi)胡蘿卜素，和用水可分散的天然混合類(lèi)胡蘿卜素粉末。還可以將β-胡蘿卜素純化，作為富含9-順式異構(gòu)體或富含全反式異構(gòu)體的產(chǎn)品出售。借助于本發(fā)明的方法獲得的其它類(lèi)胡蘿卜素，也可以被純化，作為產(chǎn)品出售。
D.甘油，蛋白質(zhì)和其它成分
根據(jù)步驟310對(duì)藻殘?jiān)蛇M(jìn)一步處理，以便從中回收其它有用成分如甘油，葉綠素，和蛋白質(zhì)。
可使殘片層同乙醇接觸而回收甘油。然后將乙醇蒸發(fā)，形成的甘油殘留物可通過(guò)蒸餾純化。還可以將甘油提取，脫色，蒸餾成為有用的產(chǎn)品出售。提取甘油之后留下的細(xì)胞團(tuán)塊富含蛋白質(zhì)，干燥后可制成蛋白質(zhì)豐富的藻團(tuán)塊，用作動(dòng)物飼料。干燥之前可用水洗細(xì)胞團(tuán)塊，以便除去殘留的鹽分。
VII.實(shí)施例
提供下列實(shí)施例以便對(duì)本發(fā)明的若干內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明，但不應(yīng)該認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。實(shí)施例一般通過(guò)標(biāo)題構(gòu)成，取決于此實(shí)施例所針對(duì)的本發(fā)明特定的方面。但是應(yīng)該理解到，在某一特殊標(biāo)題下的一個(gè)實(shí)施例，可能說(shuō)明本發(fā)明的幾個(gè)方面。不應(yīng)該把標(biāo)題看作排除在不同標(biāo)題下提供的實(shí)施例。
A.在泵環(huán)路中細(xì)胞的破裂
參照?qǐng)D2，如下所述，根據(jù)壓力差的大小和通過(guò)此壓力差的次數(shù)可估算對(duì)鹽沼杜氏藻的破裂。借助于泵38將含有鹽沼杜氏藻的鹽水從大鹽湖區(qū)的池塘34輸送至Jameson室36，泵38是一臺(tái)CR30-80U型Grundfos C系列多級(jí)離心泵。為了破裂藻細(xì)胞，使鹽水在泵環(huán)路中再循環(huán)。由旁流管46限定再循環(huán)流量。泄流管道48用于使鹽水返回池塘。旁流和泄流速度分別由閥門(mén)50和52控制。必要時(shí)改變此流速，以便在泵環(huán)路中提供需要的再循環(huán)百分?jǐn)?shù)。使用節(jié)流閥42調(diào)節(jié)壓力差至所需要的數(shù)值。
通過(guò)關(guān)閉閥門(mén)50，測(cè)量流經(jīng)管道48的泄流速度Q4和44處的Jameson室供料流速Q(mào)5，測(cè)定了在每個(gè)排放壓力下流經(jīng)管道40的總的泵排放流速Q(mào)1。通過(guò)測(cè)量充滿(mǎn)一個(gè)55加侖的桶所需要的時(shí)間，測(cè)定了泄流速度。應(yīng)用如下等式計(jì)算了Jameson室供料流速在此ν是噴嘴流速，Δp近似于壓力指示器54測(cè)量的供料壓力，ρ是液體密度，Co是噴嘴孔系數(shù)，在此是0.61，do是噴嘴孔直徑，在此是0.3125英寸。
從如下質(zhì)量平衡可計(jì)算在特定排放壓力下總的泵排放流速。此等式僅適用于閥門(mén)50被關(guān)閉時(shí)0旁流的情況下。
Q1＝Q4+Q5
當(dāng)閥門(mén)50被打開(kāi)而在泵環(huán)路中提供鹽水再循環(huán)時(shí)，從如下等式可計(jì)算旁流速度
Q2＝Q1-(Q4+Q5)在此Q4和Q5已經(jīng)應(yīng)用上述程序測(cè)定了，Q2是通過(guò)管道46的流速。
泵環(huán)路中的再循環(huán)百分?jǐn)?shù)R由如下公式給出
跨越節(jié)流閥42的壓力差(Δpt)促使細(xì)胞破裂，可按如下計(jì)算
Δpt＝p1-p2在此p1和p2是分別由壓力指示器56和壓力指示器58測(cè)量的壓力。
根據(jù)細(xì)胞計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)測(cè)定了在此過(guò)程中被破裂藻細(xì)胞的百分?jǐn)?shù)。對(duì)通過(guò)管道60對(duì)泵的輸入量Q0和Jameson室底流50的排出量Q7，測(cè)量其中每毫升活細(xì)胞的數(shù)目。用如下等式可計(jì)算被破裂藻細(xì)胞的百分?jǐn)?shù)F在此CCt和CCf分別是供料樣品和Jameson室底流樣品中的細(xì)胞計(jì)數(shù)。細(xì)胞計(jì)數(shù)規(guī)定為每毫升鹽水中完整細(xì)胞的數(shù)目。
B.深床過(guò)濾
通過(guò)在Waring攪拌器中混合攪拌鹽水30秒鐘使鹽沼杜氏藻細(xì)胞破裂。使1升含有破裂鹽沼杜氏藻懸液的鹽水，通過(guò)一個(gè)以過(guò)濾基質(zhì)填充的園柱體進(jìn)行過(guò)濾。此園柱體內(nèi)徑30mm，長(zhǎng)度80mm。各種過(guò)濾基質(zhì)被列舉在下面表1中。
表1.所用過(guò)濾基質(zhì)的類(lèi)型
當(dāng)過(guò)濾完成之后，用蒸餾水洗基質(zhì)，回收細(xì)胞團(tuán)塊。用溶劑提取此水溶液，并對(duì)這樣形成的溶液分析類(lèi)胡蘿卜素含量。然后用溶劑洗過(guò)濾基質(zhì)，并分析所形成的溶液中類(lèi)胡蘿卜素的含量。對(duì)過(guò)濾供料液和濾出液取樣，分析類(lèi)胡蘿卜素含量，以便測(cè)定保留在基質(zhì)中的類(lèi)胡蘿卜素百分?jǐn)?shù)。來(lái)自7個(gè)樣品的結(jié)果顯示在表2中。
表2.深床過(guò)濾的結(jié)果
在下面的實(shí)施例，將對(duì)在通過(guò)深床過(guò)濾使藻細(xì)胞脫水的過(guò)程中破裂細(xì)胞的沖擊力進(jìn)行說(shuō)明。采用了在實(shí)施例1-7中所描述的相同程序，不同的是在過(guò)濾之前未使細(xì)胞破裂。具有0.25-0.35mm顆粒的石英沙深床被用作過(guò)濾基質(zhì)。在過(guò)濾之前對(duì)鹽水作如下條件化處理在DenverD-12機(jī)械浮選室內(nèi)使藻懸液與TRITON X-100非離子表面活性劑無(wú)空氣混合攪拌1分鐘。表面活性劑的濃度按體積是25ppm?；陬?lèi)胡蘿卜素濃度的藻回收率為25％。
C.微過(guò)濾
用于微過(guò)濾的裝置被顯示在圖3中。將來(lái)自泡沫浮選室的藻濃縮物注入供料罐62中，并通過(guò)泵64輸入交叉流微濾器66，泵64被設(shè)定為7.5hp，102amps和460伏。交叉流微濾器包含被確定為孔徑1.4μm具有表面面積2.15ft2的ZrO膜。此膜由地處Califormia州Whittier的U.S.Filter供應(yīng)。此微濾器單元的橫截面為六角形，具有19根液流管道。每根管道的直徑為4mm，長(zhǎng)度80cm。用熱交換器68在進(jìn)入濾器之前使供料液冷卻。用壓力指示器74和76測(cè)量跨膜壓力差。
保留液70被返回至供料罐再循環(huán)過(guò)濾。滲透液69被棄去。滲透液的重量被表示為時(shí)間的函數(shù)。應(yīng)用如下等式可計(jì)算流量N在此A是液流可利用的濾器橫截面積，M2和M1分別是在時(shí)間t2和t1時(shí)的滲透液重量。用液流計(jì)78測(cè)量供料流的速度，用溫度計(jì)測(cè)量溫度。對(duì)保留液和滲透液取樣，分析類(lèi)胡蘿卜素的含量。
懸液被連續(xù)過(guò)濾了6小時(shí)，排出了大約150磅滲透液。其流量對(duì)時(shí)間的曲線顯示在圖4中。在交叉流微濾器中通?？梢?jiàn)的流量起始下降之后，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中流量在115kg/hr/m2保持相對(duì)恒定，沒(méi)有明顯的壓力差增加。這個(gè)結(jié)果是令人吃驚的，考慮到破裂藻細(xì)胞的膠粘性狀，預(yù)期會(huì)迅速地使膜污染堵塞。更令人吃驚的是在滲透液中未能檢測(cè)出類(lèi)胡蘿卜素。預(yù)期由于類(lèi)胡蘿卜素液滴體積小于0.1μm，在滲透液中會(huì)有明顯的損失。
滲濾完成之后保留液中鹽濃度降低了。淡水被注入供料罐62中。需要時(shí)可進(jìn)行補(bǔ)充過(guò)濾和水稀釋?zhuān)员闶棺詈蟮谋Ａ粢哼_(dá)到所要求的鹽濃度。在6小時(shí)運(yùn)行的末尾，用等體積淡水稀釋存在的保留液，并過(guò)濾13分鐘使之返回到起始體積。另加入等體積淡水之后進(jìn)行第二次滲濾，隨后再過(guò)濾13分鐘使之返回到起始體積。這些滲濾實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的流量顯示在圖4中。
D.泡沫浮選
1.機(jī)械泡沫浮選
將含有鹽沼杜氏藻懸液的鹽水注入Denver D-12臺(tái)式泡沫浮選機(jī)中。這種泡沫浮選機(jī)的設(shè)計(jì)使之能吸入適量的空氣，形成一定的葉輪轉(zhuǎn)速。采用直徑2.75英寸的8片葉輪。除實(shí)施例20之外其它全部實(shí)施例都使用了2000g的混合容器，實(shí)施例20使用的是4000g容器。全過(guò)程從液體中取樣，測(cè)定浮選動(dòng)力學(xué)和從鹽水中類(lèi)胡蘿卜素的回收率。在每次運(yùn)轉(zhuǎn)的末尾收集濃縮的泡沫，借助于UV-VIS分光光度計(jì)在波長(zhǎng)456mm分析類(lèi)胡蘿卜素的含量。
實(shí)驗(yàn)可變量包括葉輪轉(zhuǎn)速，氣體流速，室容積，鹽水中類(lèi)胡蘿卜素的初始濃度，以及表面活性劑的用量。通過(guò)從攪拌器通風(fēng)管加入壓縮氣體而改變氣體流速。對(duì)未破裂藻細(xì)胞，破裂的藻細(xì)胞，以及對(duì)來(lái)自幾次浮選的濃縮泡沫，測(cè)定類(lèi)胡蘿卜素回收率數(shù)據(jù)。實(shí)施例8-10
通過(guò)在Waring攪拌器內(nèi)攪拌30秒鐘使鹽沼杜氏藻細(xì)胞破裂。將2000ml含有破裂藻細(xì)胞懸液的鹽水注入浮選室，混合10-20分鐘。10分鐘后類(lèi)胡蘿卜素的回收率概括在表3中。
表3.對(duì)于破裂的藻細(xì)胞，10分鐘后
葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)類(lèi)胡蘿卜素回收率的影響實(shí)施例11-16
將2000ml含有鹽沼杜氏藻懸液的鹽水注入浮選室，混合35分鐘。10分鐘后類(lèi)胡蘿卜素的回收率概括在表4中。
表4.對(duì)于破裂的藻細(xì)胞，10分鐘后
葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)類(lèi)胡蘿卜素回收率的影響實(shí)施例17-20
將含有鹽沼杜氏藻懸液的鹽水注入浮選室，在1500rpm轉(zhuǎn)速下混合攪拌35分鐘。室容量對(duì)類(lèi)胡蘿卜素回收率的影響概括在表5中。表5.10分鐘后室容量對(duì)從鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素回收率的影響實(shí)施例21-25
將含有鹽沼氏杜氏藻懸液的鹽水2000ml注入浮選室，混合10分鐘。10分鐘后測(cè)定氣體流速對(duì)類(lèi)胡蘿卜素回收的影響，結(jié)果概括在表6中。
表6.氣體流速和葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)從未破裂的
鹽沼杜氏藻回收類(lèi)胡蘿卜素回收率的影響實(shí)施例26，27和28
將2000ml含有低、中和高濃度鹽沼杜氏藻的鹽水注入浮選室，混合攪拌10分鐘。細(xì)胞濃度對(duì)類(lèi)胡蘿卜素回收率的影響概括在表7中。
表7.10分鐘后類(lèi)胡蘿卜素的濃度對(duì)類(lèi)胡蘿卜素回收率的影響實(shí)施例29和30
將2000ml含有鹽沼杜氏藻懸液的鹽水注入浮選室中。向鹽水加入Triton X-100，以1500rpm轉(zhuǎn)速，無(wú)空氣地將此溶液混合攪拌1分鐘。然后打開(kāi)空氣閥，使此懸液與空氣混合攪拌20分鐘。10分鐘后測(cè)定類(lèi)胡蘿卜素回收率，結(jié)果被概括在表8中。
表8.10分鐘后表面活性劑濃度對(duì)類(lèi)胡蘿卜素回收率的影響實(shí)施例31和32
將2000ml來(lái)自浮選室的濃縮泡沫注入此室內(nèi)，混合35分鐘。10分鐘后測(cè)定類(lèi)胡蘿卜素回收率，結(jié)果概括在表9中。
表9.10分鐘之后，葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)從前面幾次浮選的
濃縮泡沫中回收類(lèi)胡蘿卜素回收率的影響實(shí)施例33
對(duì)Denver DR-84-室機(jī)械浮選機(jī)在每個(gè)室內(nèi)按轉(zhuǎn)子和定子排列方式裝置一個(gè)8扁平葉片Rushton渦輪機(jī)葉輪。對(duì)此裝置以7加侖/秒的速度連續(xù)供給藻懸液。罐直徑對(duì)葉輪直徑之比是2.1。罐高度對(duì)罐直徑之比是0.84。轉(zhuǎn)子浸沒(méi)深度對(duì)液體深度之比是0.75。全部4個(gè)葉輪葉片頂端的轉(zhuǎn)速都保持恒定在1790英尺/分鐘。液體保留時(shí)間是11分鐘。Jg是4.0cm/s。氣體對(duì)供料液之比是16.4。在無(wú)氣體的基礎(chǔ)上泡沫中的固體組分是0.02％。類(lèi)胡蘿卜素的回收率是78％。
2.氣動(dòng)力泡沫浮選法
a.Jameson室實(shí)施例34
在機(jī)械預(yù)處理裝置內(nèi)對(duì)含有鹽沼杜氏藻懸液的鹽水進(jìn)行預(yù)處理，使細(xì)胞破裂，然后在Jameson室中處理。此Jameson室下導(dǎo)管直徑對(duì)噴嘴直徑之比是8.6，立式罐直徑對(duì)下導(dǎo)管直徑之比是5。室Jg是0.44cm/s。噴射速度是21.5m/s。下導(dǎo)管表面速度是0.20m/s。下導(dǎo)管保留時(shí)間是15.1s?？諝鈱?duì)供料液之比是0.52。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程類(lèi)胡蘿卜素的回收率平均為58.8％。在無(wú)氣體的基礎(chǔ)上泡沫中的固體組分是0.02％。實(shí)施例35
收集在實(shí)施例34中所述的運(yùn)行中產(chǎn)生的泡沫，在具有實(shí)施例34中所述幾何結(jié)構(gòu)的Jameson室中進(jìn)行處理，使類(lèi)胡蘿卜素進(jìn)一步濃縮。此室的Jg是0.27cm/s。噴射速度是10.6m/s。下導(dǎo)管表面速度是0.13m/s。下導(dǎo)管保留時(shí)間是23.2s?？諝鈱?duì)供料液之比是0.49。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程類(lèi)胡蘿卜素的回收率平均為89.7％。在無(wú)氣體的基礎(chǔ)上泡沫中的固體組分是0.5％。實(shí)施例36
將含有鹽沼杜氏藻懸液的鹽水，在具有實(shí)施例34中所述幾何結(jié)構(gòu)的Jameson室內(nèi)進(jìn)行處理，不進(jìn)行任何機(jī)械的或化學(xué)的預(yù)處理。此室的Jg是0.65cm/s。噴射速度是46.1m/s。下導(dǎo)管表面速度是0.175m/s。下導(dǎo)管保留時(shí)間是17.5s。空氣對(duì)供料液之比是0.88。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程類(lèi)胡蘿卜素的回收率平均為52.8％。在無(wú)氣體的基礎(chǔ)上泡沫中的固體組分是0.02％。實(shí)施例37
收獲在實(shí)施例34中所述的運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的泡沫，在具有實(shí)施例34中所述幾何結(jié)構(gòu)的Jameson室中進(jìn)行處理，使類(lèi)胡蘿卜素進(jìn)一步濃縮。此室的Jg是0.29cm/s。噴射速度是11.9m/s。下導(dǎo)管表面速度是0.14m/s。下導(dǎo)管保留時(shí)間是21.7s。供料壓力是22psi?？諝鈱?duì)供料液之比是0.49。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程類(lèi)胡蘿卜素回收率平均為68％。在無(wú)氣體的基礎(chǔ)上泡沫中的固體組分是8.3％。實(shí)施例38
將含有鹽沼杜氏藻懸液的鹽水在泡沫浮選裝置內(nèi)進(jìn)行處理。隨后使泡沫瓦解，以65升/分鐘的速度對(duì)具有實(shí)施例34中所述幾何結(jié)構(gòu)的Jameson室連續(xù)供料。氣體進(jìn)入此室的速度是1.1標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘(SCFM)。在整個(gè)1小時(shí)的運(yùn)行過(guò)程中，泡沫中類(lèi)胡蘿卜素的回收率平均為89.7％。實(shí)施例39
在泡沫浮選裝置內(nèi)處理含有鹽沼杜氏藻懸液的鹽水。收集其底流液，以62升/分鐘的速度對(duì)具有實(shí)施例34中所述幾何結(jié)構(gòu)的Jameson室連續(xù)供料。氣體進(jìn)入此室的速度為1.7SCFM。泡沫中類(lèi)胡蘿卜素回收率平均為79％。
b.多級(jí)環(huán)流泡沫浮選柱(MSTLFLO)
將MSTLFLO柱用于下面的實(shí)施例40-47，此柱直徑4英寸，高125英寸，裝配了3個(gè)吸取管。吸取管縱橫尺寸比為12.2。吸取管直徑對(duì)柱直徑之比是2。洗槽直徑對(duì)柱直徑之比是2。不加入起沫劑。鹽水pH范圍是6-7。用燒結(jié)的金屬?lài)婌F器噴射空氣進(jìn)入柱內(nèi)。噴霧器直徑1英寸，長(zhǎng)6英寸，孔徑10微米。噴霧器位于最下面吸取管的底部。供料分配器位于頂部吸取管上面6英寸處。實(shí)施例40
對(duì)MSTLFLO柱輸入含類(lèi)胡蘿卜素的鹽水。分別以1.5SCFH和3.4升/分鐘的速度開(kāi)始輸入空氣和供料液，空氣對(duì)供料液之比為0.21。使柱以連續(xù)模式運(yùn)行，每隔5分鐘進(jìn)行1次供料液，泡沫和底流液采樣。Jg是0.15cm/s，液體保留時(shí)間是5.2分鐘。在無(wú)氣體的基礎(chǔ)上泡沫中的固體組分是約6％。類(lèi)胡蘿卜素的回收率是78％。實(shí)施例41
對(duì)MSTLFLO柱輸入含類(lèi)胡蘿卜素的鹽水。分別以1.5SCFH和6升/分鐘的速度開(kāi)始輸入空氣和供料液，空氣對(duì)供料液之比為0.12。使柱以連續(xù)模式運(yùn)行。每隔5分鐘進(jìn)行1次供料液，泡沫和底流液采樣。Jg是0.15cm/s，柱體保留時(shí)間是3.2分鐘。在無(wú)氣體的基礎(chǔ)上泡沫中的固體組分是約17％。類(lèi)胡蘿卜素回收率是76％。實(shí)施例42
先對(duì)MSTLFLO柱輸入含類(lèi)胡蘿卜素的鹽水。再開(kāi)始以3SCFH的速度輸入空氣流。使柱以分批模式運(yùn)行。在浮選20分鐘之后收集供料液，泡沫和底流液樣品。Jg是0.29cm/s。在無(wú)氣體的基礎(chǔ)上泡沫中的固體組分是約11％。類(lèi)胡蘿卜素回收率83％。實(shí)施例43
對(duì)與實(shí)施例41中相同的MSTLFLO柱，注入前面在浮選裝置內(nèi)處理過(guò)的含鹽沼杜氏藻的鹽水。對(duì)柱輸入氣體的速度在3-4SCFH內(nèi)改變。25分鐘之后，泡沫內(nèi)類(lèi)胡蘿卜素的回收率大于87％。實(shí)施例44
將含有鹽沼杜氏藻懸液的鹽水在浮選裝置內(nèi)進(jìn)行處理。隨后使泡沫瓦解，以2升/分鐘的速度對(duì)與實(shí)施例41中相同的MSTLFLO柱頂部連續(xù)供料。以2SCFH的速度從柱底部噴入空氣。使柱連續(xù)運(yùn)行30分鐘以上。泡沫中類(lèi)胡蘿卜類(lèi)的平均回收率是81.5％。實(shí)施例45
在類(lèi)似于實(shí)施例41的運(yùn)行中，以3.25升/分鐘的速度對(duì)MSTLFLO柱供給鹽水。在整個(gè)30分鐘運(yùn)行的過(guò)程，泡沫中類(lèi)胡蘿卜素回收率平均為86.3％。實(shí)施例46
在類(lèi)似于實(shí)施例45的運(yùn)行中，以1.14升/分鐘的速度對(duì)MSTLFLO柱供給鹽水。在整個(gè)35分鐘運(yùn)行的過(guò)程，泡沫中類(lèi)胡蘿卜素回收率平均為84.9％。實(shí)施例47
在類(lèi)似于實(shí)施例41的運(yùn)行中，以0.69升/分鐘的速度對(duì)MSTLFLO柱供給鹽水。在整個(gè)45分鐘運(yùn)行的過(guò)程，泡沫中類(lèi)胡蘿卜素回收率平均為81.1％。
c.加拿大柱
將上述的MSTLFLO柱拆除全部吸取管后進(jìn)行操作。不加入任何起沫劑。鹽水的pH范圍是6-7。采用相同的噴霧器。供料分配器位于泡沫溢流孔道下面約36英寸處。實(shí)施例48
對(duì)此氣泡柱注入含有類(lèi)胡蘿卜素的鹽水。分別以5SCFH和5.8升/分鐘的速度開(kāi)始輸入空氣和供料液，空氣對(duì)供料液之比為0.41。使柱以連續(xù)模式運(yùn)行。每隔5分鐘收集1次供料液，泡沫和底流液樣品。Jg是0.49cm/s。液體保留時(shí)間是3.1分鐘。在無(wú)氣體的基礎(chǔ)上泡沫中攜帶的固體是約0.7％。類(lèi)胡蘿卜素回收率是65％。實(shí)施例49
將含有鹽沼杜氏藻懸液的鹽水在浮選裝置內(nèi)進(jìn)行處理。隨后使泡沫瓦解，輸入給直徑4英寸的泡沫柱。在柱底部通過(guò)噴霧器以20SCFH的速度輸入空氣。浮選12分鐘之后，泡沫中類(lèi)胡蘿卜素回收率為90％。
d.空氣噴射水力旋流器(ASH)
在以設(shè)定值開(kāi)始輸入供料液流之前，以要求的速度開(kāi)始對(duì)空氣噴射水力旋流器輸入氣流。此ASH單元由一個(gè)塑料套筒組成，內(nèi)有直徑2英寸，長(zhǎng)度約18英寸的聚乙烯膜板，膜板平均孔徑為20微米。在膜板加壓側(cè)氣體的壓力保持在15和10psig之間。未加入表面活性物質(zhì)促進(jìn)浮選。對(duì)供料液、泡沫和底流液采樣，以便定量評(píng)價(jià)ASH的性能。其Jg是5.9cm/s。氣體對(duì)供料液之比保持在5.8。液體保留時(shí)間是1.3s。在無(wú)氣體的基礎(chǔ)上泡沫中的固體組分是0.09％。類(lèi)胡蘿卜素回收率為68％。實(shí)施例51-54
對(duì)實(shí)施例50的ASH單元進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便確定以破裂藻細(xì)胞時(shí)類(lèi)胡蘿卜素的回收率和濃縮倍數(shù)。結(jié)果概括在下面的表10中。通過(guò)旋流器的多孔壁將壓縮空氣導(dǎo)入。供料液從旋流器頂部注入。富含類(lèi)胡蘿卜素的泡沫從上面溢出，同時(shí)已沒(méi)有藻細(xì)胞的鹽水從下面排出。
表10.ASH對(duì)類(lèi)胡蘿卜素的回收和濃縮
E.回收有價(jià)值的成分
1.溶劑的分配系數(shù)
為了鑒別用于提取操作的適當(dāng)溶劑，在25℃下測(cè)定了對(duì)于來(lái)自鹽沼杜氏藻的類(lèi)胡蘿卜素，在鹽水和各種溶劑之間的分配系數(shù)。將3ml溶劑和12ml藻濃縮液注入25ml的試管中。將這些試管振蕩足以使之完成物質(zhì)傳遞的時(shí)間，然后輕輕傾倒出并取樣。結(jié)果概括在表11中，分配系數(shù)被定義為在有機(jī)相類(lèi)胡蘿卜素的濃度除以它在水相的濃度。
表11.25℃下，類(lèi)胡蘿卜素在鹽水和幾種有機(jī)溶劑間的分配系數(shù)
2.液相提取法
將含有鹽沼杜氏藻懸液的鹽水注入浮選室內(nèi)，混合攪拌10分鐘。收集此濃縮的泡沫，在浮選室內(nèi)與空氣混合攪拌10分鐘。將2000ml二次濃縮的含類(lèi)胡蘿卜素的泡沫和400ml溶劑注入具有下表12中給定幾何結(jié)構(gòu)的3升的混合器中。
表12.用于提取過(guò)程物質(zhì)傳遞動(dòng)力學(xué)測(cè)定的混合容器和葉輪的尺寸
將此混合物在600rpm轉(zhuǎn)速下攪拌20分鐘。間歇地對(duì)鹽水取樣，測(cè)定物質(zhì)傳遞動(dòng)力學(xué)。20分鐘后使混合器停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并記錄相分離時(shí)間。傾倒出油相，將鹽水相返回混合器。將400ml新鮮的溶劑注入此提取器，以600 rpm轉(zhuǎn)速攪拌此多相混合物20分鐘。使之再進(jìn)行20分鐘相分離。使來(lái)自二次提取步驟的溶劑相再澄清4小時(shí)，以便減少膠粘藻殘留物的容量。然后將固體相離心，使溶劑相和鹽水相與藻殘余物分離。從類(lèi)胡蘿卜素提取物中蒸發(fā)除去溶劑，加入橄欖油，形成類(lèi)胡蘿卜素在橄欖油中的懸液。在下面的實(shí)施例中提供了提取法和相分離數(shù)據(jù)。實(shí)施例65.從濃縮泡沫中將類(lèi)胡蘿卜素提取至庚烷中
按上述的一般提取程序進(jìn)行提取。將2530g濃縮泡沫和280g庚烷注入混合器中?；厥章蕯?shù)據(jù)概括在表13中。
表13.用庚烷從鹽沼杜氏藻提取類(lèi)胡蘿卜素的混合器/澄清器動(dòng)力學(xué)實(shí)施例66.從濃縮泡沫中將類(lèi)胡蘿卜素提取至苧烯中。
按上述的一般提取程序進(jìn)行提取。對(duì)混合器內(nèi)注入2516g濃縮泡沫和343g苧烯。回收率數(shù)據(jù)概括在表14中。
表14.用苧烯從鹽沼杜氏藻提取類(lèi)胡蘿卜素的混合器/澄清器動(dòng)力學(xué)實(shí)施例67.從濃縮泡沫中將類(lèi)胡蘿卜素提取至丁酸乙酯中
按上述的一般提取程序進(jìn)行提取。對(duì)混合器注入2499g濃縮泡沫和353g丁酸乙酯。回收率數(shù)據(jù)提供在表15中。葉輪轉(zhuǎn)速為800rpm。
表15.用丁酸乙酯從鹽沼杜氏藻提取
類(lèi)胡蘿卜素的混合器/澄清器動(dòng)力學(xué)實(shí)施例68.從濃縮泡沫中將類(lèi)胡蘿卜素提取至橄欖油中
按上述的一般提取程序進(jìn)行提取。對(duì)混合器注入1845g濃縮泡沫，和280g橄欖油。10分鐘后類(lèi)胡蘿卜素回收率是77％。實(shí)施例69.提余液的純化
對(duì)浮選室注入2000ml來(lái)自第二次提取的提余液，以2000rpm的轉(zhuǎn)速混合攪拌20分鐘。16分鐘后測(cè)定泡沫中類(lèi)胡蘿卜素回收率為82％。實(shí)施例70.提余液的純化
將飽和NaCl鹽水同溶劑混合，在25℃下使此混合物達(dá)到平衡。測(cè)定飽和鹽水中溶劑的濃度。對(duì)此溶液加入活性碳，攪拌混合此稀漿液直至達(dá)到平衡。使活性碳從稀漿液中沉淀出，對(duì)此鹽水取樣，測(cè)定溶劑的濃度。結(jié)果提供在表16中。
表16.在活性碳層吸附之前和吸附之后，飽和NaCl鹽水中
溶劑的濃度。對(duì)鹽水中溶劑的檢測(cè)極限是5ppb
3.液相提取物質(zhì)傳遞動(dòng)力學(xué)
在具有表12中概述的幾何結(jié)構(gòu)的3升園柱形容器內(nèi)，對(duì)物質(zhì)傳遞動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)性測(cè)定。葉輪位于容器的中心。在不同時(shí)間對(duì)液/液分散相取樣，測(cè)定水相中類(lèi)胡蘿卜素的濃度，此項(xiàng)研究的結(jié)果概括在表17中。
表17.葉輪轉(zhuǎn)速和溶劑對(duì)供料液之比
對(duì)液相提取類(lèi)胡蘿卜素回收率的影響
4.用苧烯連續(xù)提取類(lèi)胡蘿卜素實(shí)施例81
用大約100加侖容積的含有鹽沼杜氏藻懸液的鹽水，以10加侖/分鐘的速度對(duì)Denver#5水處理浮選室供料。收集此浮選室中的濃縮泡沫，注入3升的混合器內(nèi)，同時(shí)加入苧烯?；旌掀骱腿~輪的幾何結(jié)構(gòu)與表12中列舉的相同，葉輪轉(zhuǎn)速是600rpm。將來(lái)自混合器的流出液用泵通過(guò)導(dǎo)管式粗濾器吸入沉淀分取器，以便使膠粘的藻殘?jiān)稚㈤_(kāi)。此沉淀分取器裝配了一個(gè)由紐約Paresippany的Otto York制造的4英寸直徑×12英寸的聚結(jié)器。溶劑相從沉淀分散器的上面流入調(diào)壓槽，再?gòu)恼{(diào)壓槽泵吸進(jìn)入閃蒸發(fā)罐。在啟動(dòng)閃蒸發(fā)罐之前將橄欖油加入此罐中。溶劑從閃蒸發(fā)罐中蒸發(fā)出，類(lèi)胡蘿卜素以在橄欖油中懸液的形式被回收。蒸發(fā)的溶劑被冷凝，再循環(huán)至混合器。提取的回收率概括在表18中。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中泡沫浮選室的回收率平均為60％。
表18.用苧烯從鹽水中連續(xù)提取類(lèi)胡蘿卜素的提取效率
上面已根據(jù)特定的優(yōu)選實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。但是，并不打算以上面的敘述使本發(fā)明局限于已說(shuō)明的實(shí)施方案，技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到，根據(jù)在前面詳述中描述的本發(fā)明的精髓和內(nèi)容，可作出多種改變形式。本發(fā)明包括如所附權(quán)利要求規(guī)定的，可能包含在本發(fā)明精髓和范圍之內(nèi)的所有替換形式，修改形式和等效形式。
權(quán)利要求
1.一種破裂水懸液中微藻的方法，包括選自如下的一個(gè)步驟在水懸液中產(chǎn)生微小氣泡，并在氣泡存在下機(jī)械地剪切水懸液中的藻細(xì)胞；在足以破裂細(xì)胞的壓力下使水懸液經(jīng)壓縮部進(jìn)入液相；在足夠破裂細(xì)胞的供料入口壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)Jameson室；以及它們的組合方式。
2.權(quán)利要求1的方法，其中使水懸液在足以破裂細(xì)胞的壓力下經(jīng)壓縮部進(jìn)入液相的步驟包括，使水懸液在足以破裂細(xì)胞的壓力和再循環(huán)百分?jǐn)?shù)下，循環(huán)通過(guò)泵環(huán)路中的壓縮部。
3.權(quán)利要求1的方法，其中使水懸液在足以破裂細(xì)胞的壓力下經(jīng)壓縮部進(jìn)入液相的步驟包括，使此懸液通過(guò)French壓縮器。
4.權(quán)利要求1的方法，其中機(jī)械地剪切水懸液中細(xì)胞的步驟包括，以足夠破裂細(xì)胞的尖端速度旋轉(zhuǎn)水懸液中的一個(gè)葉輪。
5.一種破裂鹽水中鹽沼杜氏藻細(xì)胞的方法，包括選自如下的一個(gè)步驟在水懸液中產(chǎn)生微小氣泡，并在氣泡存在下機(jī)械地剪切鹽水中的細(xì)胞；在足以破裂細(xì)胞的壓力下使鹽水經(jīng)壓縮部進(jìn)入液相；在足夠破裂細(xì)胞的供料入口壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)Jameson室；以及它們的組合形式。
6.權(quán)利要求5的方法，其中使鹽水在足以破裂細(xì)胞的壓力下經(jīng)壓縮部進(jìn)入液相的步驟包括，使鹽水在大約50-200psig的壓力下，以及在大約100％-300％的再循環(huán)百分?jǐn)?shù)下，循環(huán)通過(guò)泵環(huán)路中的壓縮部。
7.權(quán)利要求5的方法，其中使鹽水在足以破裂細(xì)胞的壓力下經(jīng)壓縮部進(jìn)入液相的步驟包括，使鹽水通過(guò)French壓縮器。
8.權(quán)利要求5的方法，其中機(jī)械地剪切鹽水中細(xì)胞的步驟包括，以足夠破裂細(xì)胞的尖端速度旋轉(zhuǎn)鹽水中的一個(gè)葉輪。
9.一種破裂鹽水中鹽沼杜氏藻細(xì)胞的方法，包括使鹽水在大約50-200psig的壓力下，以及在大約100％-300％的再循環(huán)百分?jǐn)?shù)下，循環(huán)通過(guò)泵環(huán)路中的壓縮部。
全文摘要
公開(kāi)了一種破裂水懸液中微藻細(xì)胞的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中,是通過(guò)如下方式使水懸液在足以破裂細(xì)胞的壓力下,經(jīng)壓縮部進(jìn)入液相:使水懸液在足以破裂細(xì)胞的壓力和再循環(huán)百分?jǐn)?shù)下,循環(huán)通過(guò)泵環(huán)路中的壓縮部。借助于本發(fā)明的方法,可使鹽沼杜氏藻(Dunaliella salina)細(xì)胞破裂,從而促進(jìn)為了回收混合類(lèi)胡蘿卜素對(duì)這種細(xì)胞的泡沫浮選和機(jī)械過(guò)濾作用。
文檔編號(hào)C12N1/06GK1241209SQ9718087
公開(kāi)日2000年1月12日 申請(qǐng)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(qǐng)人:伊斯曼化學(xué)公司