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espumador de proteínas

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espumador de proteínas

Un espumador de proteínas o fraccionador de espuma es un dispositivo que se utiliza para eliminar compuestos orgánicos, como restos de comida y partículas de desecho, del agua. Su uso más común se da en aplicaciones comerciales, como plantas de tratamiento de agua municipales, acuarios públicos e instalaciones de acuicultura. Los espumadores de proteínas más pequeños también se utilizan para la filtración de acuarios domésticos de agua salada e incluso de acuarios y estanques de agua dulce.

En los sistemas de acuicultura de recirculación, los fraccionadores de espuma se utilizan ampliamente para eliminar la materia orgánica disuelta y las partículas finas que los filtros biológicos y mecánicos no pueden capturar, reduciendo así la carga total de carbono orgánico en los biofiltros posteriores. [ 1 ] [ 2 ]

Función

La eliminación de proteínas mediante espumado elimina ciertos compuestos orgánicos, incluyendo proteínas y aminoácidos presentes en partículas de alimentos y desechos de pescado, aprovechando la polaridad de la propia proteína. Debido a su carga intrínseca, las proteínas presentes en el agua son repelidas o atraídas por la interfaz aire-agua, y estas moléculas pueden describirse como hidrofóbicas (como grasas o aceites) o hidrofílicas (como sal, azúcar, amoníaco, la mayoría de los aminoácidos y la mayoría de los compuestos inorgánicos). Sin embargo, algunas moléculas orgánicas de mayor tamaño pueden tener porciones tanto hidrofóbicas como hidrofílicas. Estas moléculas se denominan anfipáticas o anfifílicas . Los espumadores de proteínas comerciales funcionan generando una gran interfaz aire-agua, específicamente mediante la inyección de un gran número de burbujas en la columna de agua. En general, cuanto más pequeñas son las burbujas, más eficaz es la eliminación de proteínas, ya que la superficie de burbujas pequeñas que ocupan el mismo volumen es mucho mayor que la de burbujas más grandes. [ 3 ] Un gran número de pequeñas burbujas presenta una enorme interfaz aire-agua para que las moléculas orgánicas hidrofóbicas y anfipáticas se acumulen en la superficie de la burbuja (la interfaz aire-agua). [ 4 ] [ 5 ] El movimiento del agua acelera la difusión de las moléculas orgánicas, lo que efectivamente trae más moléculas orgánicas a la interfaz aire-agua y permite que las moléculas orgánicas se acumulen en la superficie de las burbujas de aire. Este proceso continúa hasta que la interfaz se satura, a menos que la burbuja se retire del agua o explote, en cuyo caso las moléculas acumuladas se liberan de nuevo en la columna de agua. Sin embargo, una mayor exposición de una burbuja de aire saturada a moléculas orgánicas puede seguir produciendo cambios, ya que los compuestos que se unen con mayor fuerza pueden reemplazar a aquellas moléculas con una unión más débil que ya se han acumulado en la interfaz. Aunque algunos acuaristas creen que aumentar el tiempo de contacto (o tiempo de permanencia, como a veces se le llama) siempre es bueno, es incorrecto afirmar que siempre es mejor aumentar el tiempo de contacto entre las burbujas y el agua del acuario. [ 6 ] A medida que las burbujas aumentan cerca de la parte superior de la columna de agua del skimmer de proteínas, se vuelven más densas y el agua comienza a drenar y crear la espuma que transportará las moléculas orgánicas al vaso de recolección de skimmate o a un colector de desechos de skimmate separado y las moléculas orgánicas, y cualquier molécula inorgánica que pueda haberse unido a las moléculas orgánicas, serán exportadas del sistema de agua.

Además de las proteínas eliminadas mediante el skimmer, existen otras moléculas orgánicas e inorgánicas que se eliminan habitualmente. Estas incluyen diversas grasas, ácidos grasos , carbohidratos, metales como el cobre y oligoelementos como el yodo. También se eliminan partículas, fitoplancton , bacterias y detritos; esto es deseado por algunos acuaristas y a menudo se mejora colocando el skimmer antes de otros sistemas de filtración, lo que reduce la carga sobre el sistema de filtración en su conjunto. Existe al menos un estudio publicado que proporciona una lista detallada de los productos de exportación eliminados por el skimmer. [ 7 ] Sin embargo, los acuaristas que mantienen invertebrados filtradores a veces prefieren mantener estas partículas en el agua para que sirvan como alimento natural. [ 8 ] [ 9 ]

Los espumadores de proteínas se utilizan para recolectar algas y fitoplancton con la suficiente delicadeza como para mantener su viabilidad para el cultivo o la venta comercial como cultivos vivos.

Recientemente se han empezado a utilizar formas alternativas de filtración de agua, como el depurador de algas , que deja partículas de alimento en el agua para que las consuman los corales y los peces pequeños, pero elimina los compuestos nocivos, como el amoníaco, el nitrito, el nitrato y el fosfato, que los espumadores de proteínas no eliminan.

Diseño

Todos los skimmers comparten características clave: el agua fluye a través de una cámara y entra en contacto con una columna de burbujas finas. Estas burbujas recogen proteínas y otras sustancias, transportándolas a la parte superior del dispositivo, donde la espuma, pero no el agua, se acumula en un recipiente. Allí, la espuma se condensa en un líquido que se puede extraer fácilmente del sistema. El material que se acumula en el recipiente puede variar desde un líquido acuoso de color amarillo verdoso pálido hasta una sustancia espesa y negra como el alquitrán.

Recogida de espuma en el skimmer MRC
Alpha 170, diseñado por Klaus Jensen.

Considere este resumen del diseño óptimo de skimmer de proteínas por Randy Holmes-Farley: [ 10 ]

Para que un skimmer funcione de manera óptima, deben darse las siguientes condiciones: 1. Se debe generar una gran cantidad de interfaz aire-agua. 2. Las moléculas orgánicas deben acumularse en la interfaz aire-agua. 3. Las burbujas que forman esta interfaz aire-agua deben unirse para formar espuma. 4. El agua de la espuma debe drenar parcialmente sin que las burbujas revienten prematuramente. 5. La espuma drenada debe separarse del agua y desecharse.

Desde 2006, se ha prestado considerable atención a la forma general de los espumadores de proteínas. En particular, el enfoque se centró en la introducción de cuerpos de espumador cónicos. Klaus Jansen de Royal Exclusiv afirmó ser el diseñador original; sin embargo, los registros contemporáneos de 2006-2007 muestran solo conos de acrílico para los cuerpos de los espumadores, mientras que Anton Burian de Aquarium Technik Burian ya vendía espumadores cónicos completos en la UE y posteriormente en EE. UU. en 2007. Korallen-Zucht también introdujo la línea Revolution de espumadores con cuerpo cónico alrededor de 2007, aunque estos generalmente se consideraban menos efectivos debido a que dependían de la inyección venturi estilo Beckett en lugar de bombas de rueda de agujas y a la ausencia de una placa de burbujas.

Una “placa de burbujas” —una placa de distribución de flujo que reduce la turbulencia en la base del skimmer, similar a una alcachofa de ducha invertida— fue popularizada y perfeccionada por Klaus Jansen antes de la adopción generalizada de cuerpos cónicos. Todo indica que el concepto de cono surgió de forma independiente entre varios diseñadores, basándose en el principio de que un cuerpo cónico permite que la espuma se acumule más gradualmente mediante una transición geométrica suave, en lugar de una reducción abrupta del cuello.

Se suele afirmar que un cuerpo cónico reduce la turbulencia interna en comparación con un diseño cilíndrico. Más precisamente, la forma cónica reduce la formación de remolinos turbulentos radiales (de flujo transversal) al restringir progresivamente los componentes de velocidad lateral a medida que disminuye el área de la sección transversal, lo que promueve un flujo ascendente (axial) más coherente. Este efecto funciona en conjunto con placas de burbujeo y bombas de agujas de alta eficiencia, que alcanzan altas relaciones aire-agua (cercanas a 2:1 en volumen), desplazando el régimen de flujo interno hacia una dispersión dominada por el gas y reduciendo la mezcla turbulenta a gran escala.

Otro beneficio, a menudo pasado por alto, de la geometría cónica es que permite que el skimmer funcione con una línea de agua interna más baja, manteniendo una espuma estable. El cuerpo cónico favorece una compresión gradual de la mezcla de aire y agua y reduce la turbulencia radial, lo que permite que la espuma se consolide de manera más eficiente a medida que asciende. En la práctica, esto reduce la altura de agua necesaria para el funcionamiento en comparación con un cuerpo cilíndrico, lo que a su vez reduce la contrapresión en las entradas de aire y agua de la bomba. Esto permite una mayor aspiración de aire con menor caudal y turbulencia de agua. Como resultado, algunos skimmers de cuerpo cónico pueden funcionar eficazmente en profundidades de sumidero relativamente bajas (por ejemplo, entre 10 y 15 cm).

Los críticos han argumentado que el volumen y la altura reducidos de un cuerpo cónico disminuyen el tiempo de permanencia; sin embargo, el trabajo de Randy Holmes-Farley y otros cambió el énfasis del tiempo de permanencia como la métrica principal de eficiencia, destacando en cambio la importancia del área interfacial aire-agua y la densidad de burbujas, donde los modernos skimmers de rueda de agujas de cuerpo cónico sobresalen. [ 11 ]

En general, los espumadores de proteínas se clasificaban antiguamente de dos maneras, según funcionaran mediante flujo en paralelo o en contracorriente . En un sistema de flujo en paralelo, el aire se introduce en la parte inferior de la cámara y entra en contacto con el agua a medida que asciende hacia la cámara de recolección. En un sistema de contracorriente, el aire se introduce a presión y se mueve en contra del flujo del agua durante un tiempo antes de ascender hacia el recipiente de recolección. Debido a que las burbujas de aire pueden permanecer en contacto con el agua durante un período más prolongado en un sistema de contracorriente, algunos consideran que los espumadores de proteínas de este tipo son más eficaces para eliminar los residuos orgánicos. [ 12 ]

Desde la popularización de la tecnología de placas de burbujas y las bombas mezcladoras de alta eficiencia, la diferenciación entre "contracorriente" y "corriente paralela" ha perdido relevancia.

Sistemas de flujo en contracorriente

Piedra difusora de aire

El método original de desnatado de proteínas, que consiste en hacer pasar aire a presión a través de un difusor para producir grandes cantidades de microburbujas, sigue siendo una opción viable, eficaz y económica, aunque las tecnologías más recientes pueden requerir menos mantenimiento. La piedra difusora suele ser un bloque de madera oblongo, parcialmente hueco, generalmente del género Tilia . Las piedras difusoras de madera más populares para desnatadores están hechas de tilo ( Tilia europaea o tilo europeo), aunque el tilo americano ( Tilia americana o tilo americano) también funciona, puede ser más económico y suele ser más fácil de conseguir. Los bloques de madera se perforan, se roscan, se les coloca una conexión de aire y se conectan mediante tubos de aire a una o más bombas de aire que suministran al menos 1 cfm. La piedra difusora de madera se coloca en el fondo de una columna alta de agua. El agua del tanque se bombea a la columna, se deja pasar por las burbujas ascendentes y regresa al tanque. Para obtener suficiente tiempo de contacto con la burbuja, estas unidades pueden tener varios pies de altura.

Los espumadores de proteínas con piedras difusoras de aire se pueden construir como un proyecto de bricolaje con tuberías y accesorios de PVC a bajo costo. y con distintos grados de complejidad.

Los espumadores de proteínas con difusor de aire requieren bombas de aire potentes que suelen consumir mucha energía, son ruidosas y generan mucho calor, lo que provoca un aumento de la temperatura del agua del acuario. Si bien este método se ha utilizado durante muchos años, debido a la aparición de tecnologías más eficientes, muchos lo consideran ineficiente en sistemas grandes o con una alta carga biológica.

Venturi

El principio de funcionamiento de estos skimmers se basa en el uso de una bomba de alta presión, combinada con un venturi , para introducir burbujas en el flujo de agua. El agua del tanque se bombea a través del venturi, donde se generan burbujas finas mediante un diferencial de presión, y luego ingresa al cuerpo del skimmer. Este método fue popular en su momento debido a su tamaño compacto y alta eficiencia, pero los diseños con venturi están obsoletos y han sido superados por diseños de rueda de agujas más eficientes.

Sistemas de flujo a contracorriente

Aspiración: rueda de pasadores/rueda de Adrian, rueda de agujas, rueda de malla

Este concepto básico se conoce más correctamente como skimmer aspirador, ya que algunos diseños de skimmer que utilizan un aspirador no emplean una rueda de pines / rueda de Adrian ni una rueda de agujas . La rueda de pines / rueda de Adrian describe el aspecto de un impulsor que consiste en un disco con pines montados perpendicularmente (90°) al disco y paralelos al rotor. La rueda de agujas describe el aspecto de un impulsor que consiste en una serie de pines que sobresalen perpendicularmente al rotor desde un eje central. La rueda de malla describe el aspecto de un impulsor que consiste en un material de malla unido a una placa o eje central en el rotor. El propósito de estos impulsores modificados es cortar o triturar el aire que se introduce a través de un aparato aspirador de aire o una bomba de aire externa en burbujas muy finas. El diseño de rueda de malla proporciona excelentes resultados a corto plazo debido a su capacidad para crear burbujas finas con sus delgadas superficies de corte, pero su propensión a obstruirse lo convierte en un diseño poco fiable.

El aspirador de aire se diferencia del venturi por la posición de la bomba de agua. En un venturi, el agua se impulsa a través de la unidad, creando un vacío para aspirar aire. En un aspirador de aire, el agua se aspira a través de la unidad, creando un vacío para aspirar aire. Sin embargo, estos términos suelen usarse indistintamente.

Este tipo de espumador de proteínas se ha popularizado enormemente en acuarios públicos y se considera el más utilizado actualmente en acuarios de arrecife residenciales . Ha tenido un éxito particular en acuarios pequeños debido a su tamaño compacto, facilidad de instalación y uso, y funcionamiento silencioso. Dado que la bomba impulsa una mezcla de aire y agua, la potencia necesaria para hacer girar el rotor disminuye, lo que puede resultar en un menor consumo energético en comparación con una bomba similar con un impulsor diferente que solo bombea agua.

corriente descendente

El skimmer de flujo descendente es un diseño patentado y un tipo de skimmer de proteínas que inyecta agua a alta presión en tubos con un mecanismo generador de espuma o burbujas, transportando la mezcla de aire y agua hacia el skimmer y una cámara separada. El diseño patentado está protegido en Estados Unidos y los skimmers comerciales en ese país son exclusivos de esa empresa. Su diseño utiliza uno o más tubos con material plástico, como biobolas, para mezclar agua a alta presión con aire dentro del skimmer, generando espuma que recoge los residuos proteicos en un recipiente. Este fue uno de los primeros diseños de skimmers de proteínas de alto rendimiento, y se fabricaron modelos grandes que tuvieron éxito en acuarios grandes y públicos.

Desnatador Beckett

El skimmer Beckett tiene algunas similitudes con el skimmer de flujo descendente, pero incorpora una boquilla de espuma para generar el flujo de burbujas de aire. El nombre Beckett proviene de la boquilla de espuma patentada, desarrollada y comercializada por Beckett Corporation (Estados Unidos), aunque otras empresas fuera de Estados Unidos venden diseños similares de boquillas de espuma (por ejemplo, Sicce (Italia)). En lugar de utilizar el material plástico presente en los skimmers de flujo descendente, el skimmer Beckett emplea conceptos de diseño de generaciones anteriores, específicamente del skimmer de flujo descendente y del skimmer venturi (la boquilla de espuma Beckett 1408 es un venturi modificado de 4 puertos) para crear un híbrido capaz de utilizar potentes bombas de agua a presión y procesar rápidamente grandes cantidades de agua de acuario en poco tiempo. Los skimmers comerciales Beckett están disponibles en diseños de una, dos y cuatro boquillas. Los skimmers Beckett, de excelente ingeniería, son silenciosos y fiables. Gracias a los avances en las tecnologías de bombeo y la introducción de bombas de corriente continua, se han mitigado las preocupaciones sobre el espacio adicional, el ruido y el mayor consumo eléctrico que supondrían las bombas potentes. A diferencia de los skimmers de tiro descendente y de inducción por pulverización, los skimmers Beckett son fabricados por diversas empresas en Estados Unidos y otros países, y no se sabe que estén sujetos a patentes.

Inducción por pulverización

Este método es similar al de flujo descendente, pero utiliza una bomba para accionar una boquilla rociadora, fijada a unos centímetros por encima del nivel del agua. La acción de rociado atrapa y dispersa el aire en la base de la unidad, de forma similar a tapar una manguera de jardín con el pulgar, que luego asciende hasta la cámara de recolección. En Estados Unidos, una empresa ha patentado la tecnología de inducción por rociado y la oferta comercial de productos se limita a esa única empresa.

Diseños de skimmers de recirculación

Una tendencia reciente consiste en cambiar el método de alimentación del skimmer con agua sucia del acuario para recircularla varias veces antes de que regrese al sumidero o al acuario. Los skimmers con bomba de aspiración son los más populares para usar con sistemas de recirculación, aunque también existen otros tipos, como los skimmers Beckett, con esta misma función. Si bien algunos acuaristas creen que esta recirculación aumenta el tiempo de contacto de las burbujas de aire generadas dentro del skimmer, no hay evidencia concluyente que lo confirme. Cada vez que el agua se recircula dentro del skimmer, las burbujas de aire presentes en la muestra se destruyen y el venturi de la bomba genera nuevas burbujas, reiniciando así el tiempo de contacto aire-agua para estas burbujas recién creadas. En los skimmers sin recirculación, un skimmer tiene una entrada alimentada por una bomba que extrae agua del acuario, la inyecta con aire y libera la espuma o la mezcla de aire y agua en la cámara de reacción. En un diseño con recirculación, la entrada suele ser impulsada por una bomba de alimentación independiente, o en algunos casos por gravedad, para recibir el agua sucia que se procesará, mientras que la bomba que suministra la espuma o la mezcla de aire y agua a la cámara de reacción se instala por separado en un circuito cerrado en el lateral del skimmer. La bomba de recirculación extrae agua del skimmer e inyecta aire para generar la espuma o la mezcla de aire y agua antes de devolverla a la cámara de reacción, recirculándola. La bomba de alimentación en un diseño con recirculación suele inyectar una menor cantidad de agua sucia que en los diseños con contracorriente o en paralelo. La bomba de alimentación independiente permite un fácil control del caudal de intercambio de agua a través del skimmer, y para muchos acuaristas, esta es una de las principales ventajas de los skimmers con recirculación. Debido a que la configuración de la bomba de estos skimmers es similar a la de los skimmers con bomba de aspiración, las ventajas en cuanto al consumo de energía también son similares.

Referencias

  1. ↑ Timmons, Michael B.; Vinci, Brian J. (2022). Acuicultura de recirculación (5.ª  ed.). Ithaca, NY: Ithaca Publishing Company. ISBN 978-0971264694.
  2. ↑ Brambilla, F.; Antonini, M.; Ceccuzzi, P.; Terova, G.; Saroglia, M. (2008). "Eficiencia de fraccionamiento de espuma en la eliminación de materia particulada y bacterias heterótrofas de un sistema de recirculación de lubina ( Dicentrarchus labrax )". Aquacultural Engineering . 39 (1): 37– 42. doi : 10.1016/j.aquaeng.2008.05.004 .
  3. ↑ PR Escobal: Ingeniería de sistemas acuáticos: Dispositivos y su funcionamiento, Dimension Engineering Press, 2000, ISBN 1-888381-10-8
  4. ↑ Brambilla, E.; Hunter, RJ; Jameson, GJ (1999). "La tasa de eliminación de proteínas de soluciones proteicas mediante fraccionamiento por espuma". Chemical Engineering Science . 54 (21): 5311– 5316. doi : 10.1016/S0009-2509(99)00250-6 .
  5. ↑ Suzuki, Yutaka; Maruyama, Takashi; Numata, Hideyuki; Sato, Hiroshi; Asakawa, Yumiko (2003). "Rendimiento de un sistema de recirculación cerrado con unidades de separación de espuma, nitrificación y desnitrificación para el cultivo intensivo de anguila: hacia cero emisiones". Aquacultural Engineering . 29 ( 3–4 ): 165–182 . doi : 10.1016/S0144-8609(03)00050-2 .
  6. ↑ Holmes-Farley, Randy, ¿Qué es el skimming?, Reefkeeping, agosto de 2006, http://www.reefkeeping.com/issues/2006-08/rhf/index.php
  7. ↑ Shimak, Ronald L, Ph. D., "Por el desagüe: Exportaciones de acuarios de arrecife", Reefkeeping, diciembre de 2002, http://www.reefkeeping.com/issues/2002-12/rs/feature/index.php
  8. ↑ "El alimento de los arrecifes, parte 6: materia orgánica particulada" . Revista Reefkeeping . 2003. Consultado el 9 de abril de 2015 .
  9. ↑ "Dinámica del ecosistema de los arrecifes de coral" . El océano hambriento . Debbie MacKenzie. 2011. Consultado el 9 de abril de 2015 .
  10. ↑ Holmes-Farley, Randy, ¿Qué es el skimming?, Reefkeeping, agosto de 2006, http://www.reefkeeping.com/issues/2006-08/rhf/index.php
  11. ↑ http://www.reefkeeping.com/issues/2006-08/rhf/index.php
  12. ↑ Escobal 2000

Lecturas adicionales

  • Delbeek, J. Charles; Julian Sprung (1994). El acuario de arrecife, Volumen 1. Coconut Grove, Florida: Ricordea Publishing.
  • Frank Marini. "Conceptos básicos de skimmer 101: Entendiendo su skimmer" . Reefkeeping... una revista en línea para acuaristas marinos . Consultado el 14 de junio de 2006 .
  • Frank Marini ."Afronta el desafío": La evolución del skimmer Precision Marine Bullet 2. Reefkeeping ... una revista en línea para acuaristas marinos . Consultado el 4 de octubre de 2006 .
  • Randy Holmes-Farley. "¿Qué es el skimming?" . Reefkeeping... una revista en línea para acuaristas marinos . Consultado el 4 de octubre de 2006 .
  • Delbeek, J. Charles; Julian Sprung (2005). El acuario de arrecife Volumen tres: Ciencia, arte y tecnología . Coconut Grove, Florida: Ricordea Publishing.
  • Ronald L. Shimek, Ph.D. "Por el desagüe: Exportaciones de acuarios de arrecife" . Reefkeeping... una revista en línea para acuaristas marinos . Consultado el 27 de octubre de 2007 .