Белковый скиммер или пенный фракционатор — это устройство, используемое для удаления органических соединений , таких как частицы пищи и отходов, из воды. Чаще всего он используется в коммерческих целях, таких как муниципальные водоочистные сооружения, общественные аквариумы и объекты аквакультуры. Протеиновые скиммеры меньшего размера также используются для фильтрации домашних аквариумов с морской водой и даже пресноводных аквариумов и прудов.
При обезжиривании белка удаляются определенные органические соединения, в том числе белки и аминокислоты , содержащиеся в частицах пищи и рыбных отходах, за счет использования полярности самого белка. Из-за своего внутреннего заряда белки, переносимые водой, либо отталкиваются, либо притягиваются к границе раздела воздух/вода, и эти молекулы можно описать как гидрофобные (например, жиры или масла) или гидрофильные (например, соль, сахар, аммиак, большинство аминокислот). и большинство неорганических соединений). Однако некоторые более крупные органические молекулы могут иметь как гидрофобные, так и гидрофильные части. Эти молекулы называются амфипатическими или амфифильными . Коммерческие протеиновые скиммеры работают за счет создания большой границы раздела воздух/вода, в частности, путем введения большого количества пузырьков в толщу воды. В общем, чем меньше пузырьки, тем эффективнее обезжиривание белка, поскольку площадь поверхности маленьких пузырьков, занимающих тот же объем, намного больше, чем тот же объем более крупных пузырьков. [1] Большое количество маленьких пузырьков представляет собой огромную границу раздела воздух/вода, где гидрофобные органические молекулы и амфипатические органические молекулы собираются на поверхности пузырька (граница раздела воздух/вода). Движение воды ускоряет диффузию органических молекул, что эффективно приводит больше органических молекул к границе раздела воздух/вода и позволяет органическим молекулам накапливаться на поверхности пузырьков воздуха. Этот процесс продолжается до тех пор, пока граница раздела не станет насыщенной, если только пузырь не будет удален из воды или он не лопнет, и в этом случае накопленные молекулы высвободятся обратно в толщу воды. Однако важно отметить, что дальнейшее воздействие на пузырь насыщенного воздуха органических молекул может продолжать приводить к изменениям, поскольку соединения, которые связываются более прочно, могут заменить те молекулы с более слабой связью, которые уже накопились на границе раздела. Хотя некоторые аквариумисты считают, что увеличение времени контакта (или времени пребывания, как его иногда называют) всегда полезно, неверно утверждать, что всегда лучше увеличивать время контакта между пузырьками и аквариумной водой. [2] По мере того, как пузырьки увеличиваются в верхней части водяного столба белкового скиммера, они становятся плотнее, и вода начинает стекать и образовывать пену, которая переносит органические молекулы в чашку для сбора скиммата или в отдельный сборник отходов скиммата и органические молекулы и любые неорганические молекулы, которые могли быть связаны с органическими молекулами, будут выведены из водной системы.
Помимо белков, удаляемых при снятии пены, существует ряд других органических и неорганических молекул, которые обычно удаляются. К ним относятся различные жиры, жирные кислоты , углеводы, металлы, такие как медь, и микроэлементы, такие как йод. Также удаляются твердые частицы, фитопланктон , бактерии и детрит; это желательно для некоторых аквариумистов, и часто это достигается за счет установки скиммера перед другими формами фильтрации, что снижает нагрузку на систему фильтрации в целом. Существует как минимум одно опубликованное исследование, в котором приводится подробный список экспортной продукции, удаляемой скиммером. [3] Однако аквариумисты, которые содержат беспозвоночных, питающихся фильтрами, иногда предпочитают держать эти частицы в воде, чтобы они служили естественной пищей. [4] [5]
Белковые скиммеры используются для сбора водорослей и фитопланктона достаточно осторожно, чтобы сохранить жизнеспособность для культивирования или коммерческой продажи в виде живых культур.
Недавно стали использоваться альтернативные формы фильтрации воды, в том числе очиститель из водорослей , который оставляет частицы пищи в воде для потребления кораллами и мелкой рыбой, но удаляет вредные соединения, включая аммиак, нитрит, нитрат и фосфат, которые не удаляются протеиновыми скиммерами. удалять.
У всех скиммеров есть общие ключевые особенности: вода течет через камеру и контактирует со столбом мелких пузырьков. Пузырьки собирают белки и другие вещества и переносят их на верхнюю часть устройства, где в чашке собирается пена, а не вода. Здесь пена конденсируется в жидкость, которую можно легко удалить из системы. Материал, скапливающийся в чашке, может варьироваться от бледно-зеленовато-желтой водянистой жидкости до густой черной смолы.
Рассмотрим краткое изложение оптимальной конструкции белкового скиммера Рэнди Холмса-Фарли: [6]
Чтобы скиммер функционировал максимально, необходимо обеспечить следующее:
1. Должен быть создан большой слой границы раздела воздух/вода.
2. Органические молекулы должны собираться на границе раздела воздух/вода.
3. Пузырьки, образующие границу раздела воздух/вода, должны собраться вместе и образовать пену.
4. Вода в пене должна частично стечь, чтобы пузырьки не лопались преждевременно.
5. Слитую пену необходимо отделить от основной массы воды и выбросить.
В последнее время большое внимание также уделяется общей форме скиммера. В частности, большое внимание было уделено внедрению скиммерных агрегатов конусной формы. Первоначально разработанная Клаусом Йенсеном в 2004 году, концепция была основана на том принципе, что конический корпус позволяет пене накапливаться более равномерно за счет пологого перехода. Утверждалось, что это снижает общую турбулентность, что приводит к более эффективному скиммингу. Однако такая конструкция уменьшает общий объем внутри скиммера, сокращая время простоя. Белковые скиммеры цилиндрической формы являются наиболее популярной конструкцией и позволяют впускать наибольший объем воздуха и воды. [7]
В целом, протеиновые скиммеры можно классифицировать двумя способами в зависимости от того, работают ли они по прямоточному или противоточному потоку . В прямоточной системе воздух подается в нижнюю часть камеры и контактирует с водой, когда она поднимается вверх по направлению к сборной камере. В противоточной системе воздух подается в систему под давлением и некоторое время движется против потока воды, прежде чем подняться к сборному стакану. Поскольку пузырьки воздуха могут находиться в контакте с водой в течение более длительного периода в системе противотока, некоторые считают, что протеиновые скиммеры этого типа более эффективны при удалении органических отходов. [8]
Первоначальный метод обезжиривания белка, когда воздух под давлением пропускается через диффузор для получения большого количества микропузырьков, остается жизнеспособным, эффективным и экономичным выбором, хотя новые технологии могут потребовать меньшего обслуживания. Воздушный камень чаще всего представляет собой продолговатый, частично полый брусок дерева, чаще всего рода Tilia . Самые популярные деревянные воздушные камни для скиммеров изготавливаются из липы ( Tilia europaea или липы европейской), хотя липа ( Tilia americana или американская липа) тоже подойдет, может быть дешевле и часто более доступна. Деревянные блоки сверлятся, нарезаются резьба, снабжаются воздушным фитингом и соединяются воздушными трубками с одним или несколькими воздушными насосами, обеспечивающими подачу воздуха не менее 1 куб. фута в минуту. Деревянный воздушный камень помещается на дно высокого столба воды. Вода из резервуара закачивается в колонну, проходит мимо поднимающихся пузырьков и возвращается обратно в резервуар. Чтобы обеспечить достаточное время контакта с пузырем, эти устройства могут иметь высоту в несколько футов.
Белковые скиммеры Air Stone могут быть изготовлены своими руками из труб и фитингов из ПВХ по низкой цене [1] [2] и различной степени сложности [3].
Для протеиновых скиммеров Air Stone требуются мощные воздушные насосы, которые часто потребляют много энергии, шумят и нагреваются, что приводит к повышению температуры воды в аквариуме. Хотя этот метод существует уже много лет, из-за появления более эффективных технологий многие считают его неэффективным в настоящее время для использования в более крупных системах или системах с большой биологической нагрузкой.
Суть этих скиммеров заключается в том, что насос высокого давления в сочетании с трубкой Вентури может использоваться для введения пузырьков в поток воды. Вода из резервуара прокачивается через трубку Вентури, в которую мелкие пузырьки попадают под действием перепада давления, а затем поступает в корпус скиммера. Этот метод был популярен из-за своего компактного размера и высокой эффективности в то время, но конструкции Вентури сейчас устарели и вытеснены более эффективными конструкциями игольчатого колеса.
Эта базовая концепция более правильно известна как аспирационный скиммер, поскольку в некоторых конструкциях скиммеров, использующих аспиратор, не используется «штифтовое колесо» / «адриановое колесо» или «игольное колесо». «Шпилька»/«Адриан-Колесо» описывает внешний вид рабочего колеса , которое состоит из диска со штифтами, установленными перпендикулярно (90 °) к диску и параллельно ротору. «Игольное колесо» описывает внешний вид рабочего колеса, состоящего из ряда штифтов, выступающих перпендикулярно ротору от центральной оси. «Сетчатое колесо» описывает внешний вид рабочего колеса, состоящего из сетчатого материала, прикрепленного к пластине или центральной оси ротора. Целью этих модифицированных рабочих колес является измельчение или измельчение воздуха, подаваемого через аспиратор или внешний воздушный насос, на очень мелкие пузырьки. Конструкция Mesh-Wheel обеспечивает отличные результаты в краткосрочной перспективе благодаря своей способности создавать мелкие пузырьки на тонких режущих поверхностях, но склонность к засорению делает эту конструкцию ненадежной.
Аспиратор воздуха отличается от Вентури расположением водяного насоса. С помощью трубки Вентури вода проталкивается через устройство, создавая вакуум для всасывания воздуха. С помощью воздушного аспиратора вода протягивается через устройство, создавая вакуум для всасывания воздуха. Однако эти термины часто неправильно путают.
Этот тип скиммера для протеинов стал очень популярен в общественных аквариумах и считается сегодня самым популярным типом скиммера, используемого в жилых рифовых аквариумах . Он особенно успешен в небольших аквариумах благодаря обычно компактным размерам, простоте установки и использования, а также бесшумной работе. Поскольку насос проталкивает смесь воздуха и воды, мощность, необходимая для вращения ротора, может быть уменьшена, что может привести к снижению потребности в мощности для этого насоса по сравнению с тем же насосом с другим рабочим колесом, когда он перекачивает только воду.
Скиммер Downdraft представляет собой одновременно запатентованную конструкцию скиммера и разновидность белкового скиммера, который впрыскивает воду под высоким давлением в трубки, имеющие механизм образования пены или пузырьков, и переносит смесь воздуха и воды вниз в скиммер и в отдельную камеру. Запатентованная конструкция защищена в Соединенных Штатах патентами, а коммерческие продукты скиммеров в США доступны только этой компании. В их конструкции используется одна или несколько трубок с пластиковыми материалами, такими как биошарики внутри, для смешивания воды под высоким давлением и воздуха в корпусе скиммера, в результате чего образуется пена, которая собирает белковые отходы в чашу для сбора. Это был один из первых высокопроизводительных белковых скиммеров, и были выпущены большие модели, которые пользовались успехом в больших и общественных аквариумах.
Скиммер Beckett имеет некоторое сходство со скиммером с нисходящим потоком, но имеет пенную насадку для создания потока пузырьков воздуха. Название Beckett происходит от запатентованной насадки для пены, разработанной и продаваемой Beckett Corporation (США), хотя аналогичные конструкции насадки для пены продаются и другими компаниями за пределами США (например, Sicce (Италия)). Вместо использования пластиковых материалов, которые используются в конструкциях скиммеров с нисходящим потоком, скиммер Beckett использует концепции конструкции предыдущих поколений скиммеров, в частности скиммера с нисходящим потоком и скиммера Вентури (пенная насадка Beckett 1408 представляет собой модифицированную 4-портовую трубку Вентури) для создания Гибрид, способный использовать мощные водяные насосы с номинальным давлением и быстро перерабатывать большие объемы аквариумной воды за короткий период времени. Коммерческие скиммеры Beckett выпускаются в одинарном, двойном и четверном исполнении Beckett. Хорошо спроектированные скиммеры Beckett тихие и надежные. Благодаря достижениям в области насосных технологий и внедрению насосов постоянного тока, проблемы, связанные с тем, что мощные насосы занимают дополнительное пространство, создают дополнительный шум и потребляют больше электроэнергии, были сняты. В отличие от скиммеров Downdraft и Spray Induction, конструкции скиммеров Beckett производятся рядом компаний в США и других странах и, как известно, не ограничены патентами.
Этот метод связан с нисходящим потоком, но в нем используется насос для приведения в действие распылительной насадки, закрепленной на несколько дюймов над уровнем воды. Распыление захватывает и измельчает воздух в основании устройства, подобно тому, как если бы вы держали большой палец над садовым шлангом, который затем поднимался бы в сборную камеру. В Соединенных Штатах одна компания запатентовала технологию индукционной распыления, и предложение коммерческой продукции ограничено этой единственной компанией.
Недавняя тенденция заключается в изменении метода подачи в скиммер «грязной» воды из аквариума, чтобы обеспечить многократную рециркуляцию воды внутри скиммера, прежде чем она будет возвращена в отстойник или аквариум. Скиммеры с аспирационным насосом являются наиболее популярным типом скиммеров с рециркуляционной конструкцией, хотя другие типы скиммеров, такие как скиммеры Beckett, также доступны в версиях с рециркуляцией. Хотя среди некоторых аквариумистов бытует мнение, что такая рециркуляция увеличивает время пребывания или время контакта образующихся пузырьков воздуха внутри скиммера, авторитетных доказательств того, что это правда, нет. Каждый раз, когда вода рециркулирует внутри скиммера, любые пузырьки воздуха в этой пробе воды разрушаются, и с помощью рециркуляционного насоса Вентури образуются новые пузырьки, поэтому время контакта воздуха с водой для этих вновь созданных пузырьков начинается заново. В конструкциях скиммеров без рециркуляции скиммер имеет одно входное отверстие, снабженное насосом, который всасывает воду из аквариума и нагнетает ее вместе с воздухом в скиммер, а пену или смесь воздуха и воды выпускает в реакционную камеру. В рециркуляционной конструкции одно впускное отверстие обычно приводится в действие отдельным подающим насосом или, в некоторых случаях, может подаваться самотеком для приема грязной воды для обработки, в то время как насос, подающий пену или смесь воздуха и воды в реакционную камеру, является устанавливается отдельно в замкнутом контуре сбоку от скиммера. Рециркуляционный насос вытягивает воду из скиммера и нагнетает воздух для образования пены или смеси воздуха и воды, прежде чем вернуть ее в реакционную камеру скиммера, тем самым «рециркулируя» ее. Подающий насос в рециркуляционной конструкции обычно впрыскивает меньшее количество грязной воды, чем в прямоточных/противоточных конструкциях. Отдельный насос подачи позволяет легко контролировать скорость обмена воды через скиммер, и для многих аквариумистов это одно из важных преимуществ конструкции скиммера с рециркуляцией. Поскольку конфигурация насосов этих скиммеров аналогична конфигурации скиммеров с аспирационными насосами, преимущества в энергопотреблении также аналогичны.