Un separador de proteínas o fraccionador de espuma es un dispositivo que se utiliza para eliminar compuestos orgánicos , como partículas de alimentos y desechos, del agua. Se utiliza con mayor frecuencia en aplicaciones comerciales, como instalaciones de tratamiento de agua municipales, acuarios públicos e instalaciones de acuicultura. Los separadores de proteínas más pequeños también se utilizan para la filtración de acuarios de agua salada domésticos e incluso de acuarios y estanques de agua dulce .
El desnatado de proteínas elimina ciertos compuestos orgánicos, incluidas las proteínas y los aminoácidos que se encuentran en las partículas de alimentos y los desechos de los peces, utilizando la polaridad de la propia proteína. Debido a su carga intrínseca, las proteínas transportadas por el agua son repelidas o atraídas por la interfaz aire/agua y estas moléculas pueden describirse como hidrófobas (como las grasas o los aceites) o hidrófilas (como la sal, el azúcar, el amoníaco, la mayoría de los aminoácidos y la mayoría de los compuestos inorgánicos). Sin embargo, algunas moléculas orgánicas más grandes pueden tener partes hidrófobas e hidrófilas. Estas moléculas se denominan anfipáticas o anfifílicas . Los desnatados de proteínas comerciales funcionan generando una gran interfaz aire/agua, específicamente inyectando una gran cantidad de burbujas en la columna de agua. En general, cuanto más pequeñas sean las burbujas, más eficaz es el desnatado de proteínas porque la superficie de las burbujas pequeñas que ocupan el mismo volumen es mucho mayor que el mismo volumen de burbujas más grandes. [1] Un gran número de pequeñas burbujas presentan una enorme interfaz aire/agua para que las moléculas orgánicas hidrófobas y las moléculas orgánicas anfipáticas se acumulen en la superficie de la burbuja (la interfaz aire/agua). El movimiento del agua acelera la difusión de las moléculas orgánicas, lo que efectivamente lleva 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 nuevamente en la columna de agua. Sin embargo, es importante señalar que una mayor exposición de una burbuja de aire saturada a moléculas orgánicas puede seguir dando lugar a cambios, ya que los compuestos que se unen con más fuerza pueden reemplazar a las 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 lo llama) siempre es bueno, es incorrecto afirmar que siempre es mejor aumentar el tiempo de contacto entre las burbujas y el agua del acuario. [2] 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 a crear la espuma que llevará las moléculas orgánicas al recipiente 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, se exportarán desde el sistema de agua.
Además de las proteínas que se eliminan con el skimmer, hay una serie de otras moléculas orgánicas e inorgánicas que normalmente se eliminan. Estas incluyen una variedad de 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 otras formas de filtración, lo que reduce la carga en el sistema de filtración en su conjunto. Hay al menos un estudio publicado que proporciona una lista detallada de los productos de exportación eliminados por el skimmer. [3] Sin embargo, los acuaristas que tienen invertebrados que se alimentan por filtración a veces prefieren mantener estas partículas en el agua para que sirvan como alimento natural. [4] [5]
Los separadores de proteínas se utilizan para cosechar algas y fitoplancton con la suficiente delicadeza para mantener la viabilidad para el cultivo o la venta comercial como cultivos vivos.
Recientemente se han comenzado a utilizar formas alternativas de filtración de agua, incluido el depurador de algas , que deja partículas de comida 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 separadores de proteínas no eliminan.
Todos los skimmers tienen características clave en común: el agua fluye a través de una cámara y entra en contacto con una columna de burbujas finas. Las burbujas recogen proteínas y otras sustancias y las llevan a la parte superior del dispositivo, donde la espuma, pero no el agua, se acumula en un recipiente. Aquí la espuma se condensa y se convierte en un líquido, que se puede eliminar fácilmente del sistema. El material que se acumula en el recipiente puede variar desde un líquido acuoso de color amarillo verdoso pálido hasta un alquitrán negro espeso.
Considere este resumen del diseño óptimo de un separador de proteínas realizado por Randy Holmes-Farley: [6]
Para que un skimmer funcione de manera óptima, deben ocurrir las siguientes cosas:
1. Se debe generar una gran cantidad de interfase aire/agua.
2. Se debe permitir que las moléculas orgánicas se acumulen en la interfase aire/agua.
3. Las burbujas que forman esta interfase aire/agua deben unirse para formar una espuma.
4. El agua en la espuma debe drenar parcialmente sin que las burbujas exploten prematuramente.
5. La espuma drenada debe separarse del agua a granel y desecharse.
Recientemente, también se ha prestado mucha atención a la forma general de un skimmer. En particular, se ha prestado mucha atención a la introducción de unidades skimmer en forma de cono. Originalmente diseñadas por Klaus Jensen en 2004, el concepto se basó en el principio de que un cuerpo cónico permite que la espuma se acumule de manera más constante a través de una transición de suave pendiente. Se afirmó que esto reduce la turbulencia general, lo que da como resultado un skimmer más eficiente. Sin embargo, este diseño reduce el volumen general dentro del skimmer, lo que reduce el tiempo de permanencia. Los skimmers de proteínas de forma cilíndrica son el diseño más popular y permiten el mayor volumen de aire y agua. [7]
En general, los separadores de proteínas se pueden clasificar de dos maneras, dependiendo de si funcionan con 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 está en contacto con el agua a medida que sube hacia la cámara de recolección. En un sistema de contracorriente, el aire se introduce en el sistema bajo presión y se mueve contra el flujo del agua durante un tiempo antes de subir hacia el recipiente de recolección. Debido a que las burbujas de aire pueden estar en contacto con el agua durante un período más largo en un sistema de flujo en contracorriente, algunos consideran que los separadores de proteínas de este tipo son más eficaces para eliminar los desechos orgánicos. [8]
El método original de desnatado de proteínas, que consistía en hacer pasar aire a presión por un difusor para producir grandes cantidades de microburbujas, sigue siendo una opción viable, eficaz y económica, aunque las tecnologías más nuevas pueden requerir un menor mantenimiento. La piedra difusora suele ser un bloque de madera oblongo y parcialmente ahuecado, normalmente del género Tilia . Las piedras difusoras de madera más populares para los desnatadores están hechas de madera de tilo ( Tilia europaea o tilo europeo), aunque la madera de tilo ( Tilia americana o tilo americano) también funciona, puede ser más barata y suele estar más disponible. Los bloques de madera se perforan, se roscan, se les coloca un accesorio de aire y se conectan mediante un tubo 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 vuelve al tanque. Para obtener suficiente tiempo de contacto con la burbuja, estas unidades pueden tener muchos pies de altura.
Los separadores de proteínas con piedra difusora de aire se pueden construir como un proyecto de bricolaje a partir de tuberías y accesorios de PVC a bajo costo [1] [2] y con distintos grados de complejidad [3].
Los separadores de proteínas con difusores de aire requieren bombas de aire potentes que suelen consumir mucha energía, son ruidosas y calientes, lo que provoca un aumento de la temperatura del agua del acuario. Si bien este método existe desde hace muchos años, debido al surgimiento de tecnologías más eficientes, muchos lo consideran ineficiente en los sistemas más grandes o en sistemas con grandes cargas biológicas.
La premisa detrás de estos desnatadores es que se puede utilizar una bomba de alta presión combinada con un venturi para introducir las burbujas en la corriente de agua. El agua del tanque se bombea a través del venturi, en el que se introducen burbujas finas a través de un diferencial de presión, y luego ingresa al cuerpo del desnatador. Este método fue popular debido a su tamaño compacto y alta eficiencia para la época, pero los diseños de venturi ahora están obsoletos y superados por diseños de rueda de agujas más eficientes.
Este concepto básico se conoce más correctamente como un skimmer de aspiración, ya que algunos diseños de skimmer que utilizan un aspirador no utilizan una "rueda de pasadores"/"rueda de Adrian" o "rueda de agujas". "Rueda de pasadores"/"rueda de Adrian" describe el aspecto de un impulsor que consiste en un disco con pasadores montados perpendicularmente (90°) al disco y paralelos al rotor. "Rueda de agujas" describe el aspecto de un impulsor que consiste en una serie de pasadores que se proyectan perpendicularmente al rotor desde un eje central. "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 Mesh-Wheel proporciona excelentes resultados a corto plazo debido a su capacidad de crear burbujas finas con sus delgadas superficies de corte, pero su propensión a obstruirse lo convierte en un diseño poco confiable.
El aspirador de aire se diferencia del venturi por la posición de la bomba de agua. Con un venturi, el agua se empuja a través de la unidad, creando un vacío para aspirar el aire. Con un aspirador de aire, el agua se empuja a través de la unidad, creando un vacío para aspirar el aire. Sin embargo, estos términos a menudo se intercambian incorrectamente.
Este estilo de skimmer de proteínas se ha vuelto muy popular en los acuarios públicos y se cree que es el tipo de skimmer más popular que se utiliza en los acuarios de arrecife residenciales en la actualidad. Ha tenido un éxito especial en acuarios más pequeños debido a su tamaño generalmente 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 se puede reducir y puede resultar en un menor requerimiento de potencia para esa bomba en comparación con la misma bomba con un impulsor diferente cuando solo está bombeando agua.
El skimmer Downdraft es un diseño patentado de skimmer y un estilo de skimmer de proteínas que inyecta agua a alta presión en tubos que tienen un mecanismo generador de espuma o burbujas y lleva la mezcla de aire y agua hacia abajo, al skimmer y a una cámara separada. El diseño patentado está protegido en los Estados Unidos con patentes y los productos comerciales de skimmer en los EE. UU. están limitados a esa única empresa. Su diseño utiliza uno o más tubos con medios plásticos, como bolas biológicas en el interior, para mezclar agua a alta presión y aire en el cuerpo del skimmer, lo que da como resultado una espuma que recolecta los desechos de proteínas en un recipiente colector. Este fue uno de los primeros diseños de skimmer de proteínas de alto rendimiento y se produjeron modelos grandes que tuvieron éxito en acuarios grandes y públicos.
El skimmer Beckett tiene algunas similitudes con el skimmer de corriente descendente, pero introdujo una boquilla de espuma para producir el flujo de burbujas de aire. El nombre Beckett proviene de la boquilla de espuma patentada desarrollada y vendida por Beckett Corporation (Estados Unidos), aunque otras empresas venden diseños de boquillas de espuma similares fuera de los Estados Unidos (por ejemplo, Sicce (Italia)). En lugar de utilizar el medio plástico que se encuentra en los diseños de skimmer de corriente descendente, el skimmer Beckett utiliza conceptos de diseño de generaciones anteriores de skimmers, específicamente el skimmer de corriente descendente y el skimmer venturi (la boquilla de espuma Beckett 1408 es un venturi de 4 puertos modificado) para producir un híbrido que es capaz de usar bombas de agua de presión nominal potentes y procesar rápidamente grandes cantidades de agua de acuario en un corto período de tiempo. Los skimmers comerciales Beckett vienen en diseños Beckett simple, Beckett doble y Beckett cuádruple. Los skimmers Beckett bien diseñados son silenciosos y confiables. Gracias a los avances en las tecnologías de bombeo y a la introducción de bombas de corriente continua, se han aliviado las preocupaciones sobre las bombas potentes que ocupan más espacio, generan más ruido y consumen más electricidad. A diferencia de los desnatadores de inducción por aspiración y de corriente descendente, los diseños de desnatadores Beckett son producidos por varias empresas en los Estados Unidos y en otros lugares y no se sabe que estén restringidos por patentes.
Este método está relacionado con el método de tiro 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 tritura el aire en la base de la unidad, de manera similar a sostener el pulgar sobre una manguera de jardín, que luego sube a la cámara de recolección. En los Estados Unidos, una empresa ha patentado la tecnología de inducción de rociado y las ofertas comerciales de productos están limitadas a esa única empresa.
Una tendencia reciente es cambiar el método por el cual el skimmer se alimenta con agua "sucia" del acuario como un medio para recircular el agua dentro del skimmer varias veces antes de que se devuelva al sumidero o al acuario. Los skimmers con bomba de aspiración son el tipo de skimmer más popular que utiliza diseños de recirculación, aunque otros tipos de skimmers, como los skimmers Beckett, también están disponibles en versiones de recirculación. Si bien existe una creencia popular entre algunos acuaristas de que esta recirculación aumenta el tiempo de permanencia o contacto de las burbujas de aire generadas dentro del skimmer, no hay evidencia autorizada de que esto sea cierto. Cada vez que se recircula agua dentro del skimmer, las burbujas de aire en esa muestra de agua se destruyen y el aparato Venturi de la bomba de recirculación genera nuevas burbujas, por lo que el tiempo de contacto aire-agua comienza nuevamente para estas burbujas recién creadas. En los diseños de skimmer sin recirculación, un skimmer tiene una entrada alimentada por una bomba que extrae agua del acuario y la inyecta con aire en el skimmer y libera la espuma o la mezcla de aire y agua en la cámara de reacción. Con un diseño de recirculación, la entrada suele estar impulsada por una bomba de alimentación independiente o, en algunos casos, puede estar alimentada por gravedad, para recibir el agua sucia para procesarla, mientras que la bomba que proporciona la espuma o la mezcla de aire y agua a la cámara de reacción está configurada 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 del skimmer, "recirculándola". La bomba de alimentación en un diseño de recirculación normalmente inyecta una cantidad menor de agua sucia que los diseños de contracorriente. La bomba de alimentación independiente permite un fácil control de la tasa de intercambio de agua a través del skimmer y, para muchos acuaristas, esta es una de las atracciones importantes de los diseños de skimmer 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 el consumo de energía también son similares.