Протеиновый скиммер или пенный фракционатор — это устройство, используемое для удаления из воды органических соединений, таких как частицы пищи и отходов. Чаще всего он используется в коммерческих целях, таких как муниципальные очистные сооружения, общественные аквариумы и объекты аквакультуры. Меньшие по размеру протеиновые скиммеры также используются для фильтрации домашних аквариумов с соленой водой и даже пресноводных аквариумов и прудов.
Функция
Скимминг белков удаляет определенные органические соединения, включая белки и аминокислоты, содержащиеся в частицах пищи и рыбных отходах, используя полярность самого белка. Из-за своего собственного заряда водные белки либо отталкиваются, либо притягиваются поверхностью 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 скиммеры белков работают, создавая большую поверхность раздела воздух/вода, в частности, путем впрыскивания большого количества пузырьков в столб воды. В целом, чем меньше пузырьки, тем эффективнее скимминг белков, поскольку площадь поверхности мелких пузырьков, занимающих тот же объем, намного больше, чем тот же объем более крупных пузырьков. Большое количество мелких пузырьков представляет собой огромный интерфейс воздух/вода для гидрофобных органических молекул и амфипатических органических молекул, которые собираются на поверхности пузырька (интерфейс воздух/вода). Движение воды ускоряет диффузию органических молекул, что эффективно переносит больше органических молекул на интерфейс воздух/вода и позволяет органическим молекулам накапливаться на поверхности пузырьков воздуха. Этот процесс продолжается до тех пор, пока интерфейс не будет насыщен, если только пузырек не будет удален из воды или он не лопнет, в этом случае накопленные молекулы высвободятся обратно в толщу воды. Однако важно отметить, что дальнейшее воздействие органических молекул на насыщенный воздушный пузырек может продолжать приводить к изменениям, поскольку соединения, которые связываются сильнее, могут заменять те молекулы с более слабой связью, которые уже накопились на интерфейсе. Хотя некоторые аквариумисты считают, что увеличение времени контакта (или времени выдержки, как его иногда называют) всегда хорошо, неверно утверждать, что всегда лучше увеличивать время контакта между пузырьками и аквариумной водой. По мере увеличения количества пузырьков в верхней части столба воды скиммера они становятся плотнее, и вода начинает стекать, образуя пену, которая переносит органические молекулы в емкость для сбора скиммата или в отдельный сборник отходов скиммата, а органические молекулы и любые неорганические молекулы, которые могли быть связаны с органическими молекулами, будут выведены из системы водоснабжения.
Помимо белков, удаляемых скиммингом, 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. Твердые частицы, фитопланктон, бактерии и детрит также удаляются; это желательно для некоторых аквариумистов, и часто улучшается путем размещения скиммера перед другими формами фильтрации, что снижает нагрузку на систему фильтрации в целом. Существует по крайней мере одно опубликованное исследование, в котором приводится подробный список продуктов экспорта, удаляемых скиммером. Однако аквариумисты, которые содержат фильтрующих беспозвоночных, иногда предпочитают оставлять эти частицы в воде, чтобы они служили естественной пищей.
Белковые скиммеры используются для сбора водорослей и фитопланктона достаточно бережно, чтобы сохранить жизнеспособность для культивирования или коммерческой продажи в виде живых культур.
Недавно стали использоваться альтернативные формы фильтрации воды, включая очиститель водорослей, который оставляет в воде частицы пищи, которыми питаются кораллы и мелкие рыбы, но удаляет вредные соединения, включая аммиак, нитриты, нитраты и фосфаты, которые не удаляются протеиновыми скиммерами.
Дизайн
Все скиммеры имеют общие ключевые особенности: вода протекает через камеру и контактирует со столбом мелких пузырьков. Пузырьки собирают белки и другие вещества и переносят их в верхнюю часть устройства, где пена, но не вода, собирается в чашке. Здесь пена конденсируется в жидкость, которую можно легко удалить из системы. Материал, который собирается в чашке, может варьироваться от бледно-зеленовато-желтой водянистой жидкости до густой черной смолы.
Рассмотрим краткое изложение оптимальной конструкции белкового скиммера Рэнди Холмса-Фарли:
Для максимальной эффективности работы скиммера необходимо выполнение следующих условий:
1. Необходимо создать большое количество поверхности раздела воздух/вода.
2. Необходимо обеспечить сбор органических молекул на поверхности раздела воздух/вода.
3. Пузырьки, образующие эту поверхность раздела воздух/вода, должны объединиться, образовав пену.
4. Вода в пене должна частично стечь без преждевременного лопания пузырьков.
5. Слитую пену необходимо отделить от основной массы воды и выбросить.
Также в последнее время значительное внимание уделяется общей форме скиммера. В частности, большое внимание было уделено внедрению конусообразных скиммерных узлов. Первоначально разработанная Клаусом Йенсеном в 2004 году, концепция была основана на принципе, что конический корпус позволяет пене накапливаться более равномерно через плавный переход. Утверждалось, что это снижает общую турбулентность, что приводит к более эффективному скиммингу. Однако эта конструкция уменьшает общий объем внутри скиммера, сокращая время пребывания. Цилиндрические протеиновые скиммеры являются самой популярной конструкцией и позволяют использовать наибольший объем воздуха и воды.
В целом, протеиновые скиммеры можно классифицировать двумя способами в зависимости от того, работают ли они по принципу прямотока или противотока. В системе с прямоточным потоком воздух вводится в нижнюю часть камеры и контактирует с водой, поднимаясь вверх к камере сбора. В системе с противоточным потоком воздух нагнетается в систему под давлением и некоторое время движется против потока воды, прежде чем он поднимется к чаше сбора. Поскольку пузырьки воздуха могут контактировать с водой в течение более длительного периода в системе с противоточным потоком, протеиновые скиммеры этого типа считаются некоторыми более эффективными в удалении органических отходов.
Системы прямоточного потока
Воздушный камень
Первоначальный метод отделения белка, пропускание сжатого воздуха через диффузор для получения большого количества микропузырьков, остается жизнеспособным, эффективным и экономичным выбором, хотя новые технологии могут требовать меньшего обслуживания. Воздушный камень чаще всего представляет собой продолговатый, частично выдолбленный брусок дерева, чаще всего из рода Tilia. Самые популярные деревянные воздушные камни для скиммеров изготавливаются из липы (Tilia europaea или европейская липа), хотя липа (Tilia americana или американская липа) тоже подходит, может быть дешевле и часто более доступна. Деревянные блоки сверлят, нарезают резьбу, оснащают воздушным фитингом и соединяют воздушными трубками с одним или несколькими воздушными насосами, подающими не менее 1 куб. фут/мин. Деревянный воздушный камень помещают на дно высокой колонны воды. Вода из резервуара закачивается в колонну, проходит мимо поднимающихся пузырьков и возвращается в резервуар. Чтобы получить достаточное время контакта с пузырьками, эти устройства могут быть высотой во много футов.
Протеиновые скиммеры Air Stone можно изготовить своими руками из труб и фитингов из ПВХ по низкой стоимости и с различной степенью сложности.
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 текущим использованием в более крупных системах или системах с большой бионагрузкой.
Вентури
Предпосылка этих скиммеров заключается в том, что насос высокого давления в сочетании с Вентури может использоваться для введения пузырьков в поток воды. Вода в баке прокачивается через Вентури, в которую мелкие пузырьки вводятся посредством перепада давления, затем поступает в корпус скиммера. Этот метод был популярен из-за его компактного размера и высокой эффективности в то время, но конструкции Вентури сейчас устарели и заменены более эффективными конструкциями с игольчатым колесом.
Системы противотока
Аспирация: пинцет/Адрианово колесо, игольчатое колесо, сетчатое колесо
Эта базовая концепция более правильно известна как аспирационный скиммер, поскольку некоторые конструкции скиммеров, использующие аспиратор, не используют «Штифтовое колесо»/«Колесо Адриана» или «Игольчатое колесо». «Штифтовое колесо»/«Колесо Адриана» описывает внешний вид крыльчатки, которая состоит из диска со штифтами, установленными перпендикулярно (90°) диску и параллельно ротору. «Игольчатое колесо» описывает внешний вид крыльчатки, которая состоит из ряда штифтов, выступающих перпендикулярно ротору от центральной оси. «Сетчатое колесо» описывает внешний вид крыльчатки, которая состоит из сетчатого материала, прикрепленного к пластине или центральной оси на роторе. Цель этих модифицированных крыльчаток — измельчать или рубить воздух, который вводится через аппарат аспиратора воздуха или внешний воздушный насос, на очень мелкие пузырьки. Конструкция Mesh-Wheel обеспечивает превосходные результаты в краткосрочной перспективе благодаря своей способности создавать мелкие пузырьки с помощью тонких режущих поверхностей, однако склонность к засорению делает ее ненадежной.
Воздушный аспиратор отличается от Вентури расположением водяного насоса. В Вентури вода проталкивается через блок, создавая вакуум для всасывания воздуха. В воздушном аспираторе вода проталкивается через блок, создавая вакуум для всасывания воздуха. Однако эти термины часто неправильно меняются местами.
Этот тип протеинового скиммера стал очень популярен в общественных аквариумах и считается самым популярным типом скиммера, используемым в жилых рифовых аквариумах сегодня. Он был особенно успешен в небольших аквариумах из-за своего обычно компактного размера, простоты установки и использования, а также бесшумной работы. Поскольку насос прокачивает смесь воздуха и воды, мощность, требуемую для вращения ротора, можно уменьшить, что может привести к более низкому энергопотреблению для этого насоса по сравнению с тем же насосом с другим рабочим колесом, когда он только перекачивает воду.
Нисходящий поток
Скиммер Downdraft — это одновременно и запатентованная конструкция скиммера, и разновидность протеинового скиммера, который впрыскивает воду под высоким давлением в трубки с механизмом генерации 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 скиммеры в США выпускаются только этой компанией. Их конструкция использует одну или несколько трубок с пластиковыми средами, такими как биошарики, внутри для смешивания воды под высоким давлением и воздуха в корпусе скиммера, что приводит к образованию пены, которая собирает протеиновые отходы в сборной чаше. Это была одна из ранних конструкций высокопроизводительного протеинового скиммера, и были выпущены большие модели, которые с успехом применялись в больших и общественных аквариумах.
Скиммер Беккета
Скиммер Beckett имеет некоторое сходство с скиммером с нисходящим потоком, но в нем используется пенная насадка для создания потока пузырьков воздуха. Название Beckett происходит от запатентованной пенной насадки, разработанной и продаваемой корпорацией Beckett (США), хотя похожие конструкции пенных насадок продаются и другими компаниями за пределами США (например, Sicce (Италия)). Вместо использования пластиковой среды, которая используется в конструкциях скиммеров с нисходящим потоком, скиммер Beckett использует конструктивные решения предыдущих поколений скиммеров, в частности скиммера с нисходящим потоком и скиммера Вентури (пенная насадка Beckett 1408 представляет собой модифицированную 4-портовую трубку Вентури), чтобы создать гибрид, способный использовать мощные водяные насосы с номинальным давлением и быстро обрабатывать большие объемы аквариумной воды за короткий промежуток времени. Коммерческие скиммеры Beckett выпускаются в одинарном, двойном и счетверенном исполнении Beckett. Хорошо спроектированные скиммеры Beckett бесшумны и надежны. Благодаря достижениям в области насосных технологий и внедрению насосов постоянного тока, проблемы с мощными насосами, занимающими дополнительное пространство, создающими дополнительный шум и использующими больше электроэнергии, были сняты. В отличие от скиммеров Downdraft и Spray Induction, конструкции скиммеров Beckett производятся рядом компаний в Соединенных Штатах и других странах и, как известно, не ограничены патентами.
Распылительная индукция
Этот метод связан с нисходящим потоком, но использует насос для питания распылительной насадки, закрепленной на несколько дюймов выше уровня воды. Действие распыления захватывает и измельчает воздух в основании устройства, подобно тому, как если бы вы держали большой палец над садовым шлангом, который затем поднимается в камеру сбора. В Соединенных Штатах одна компания запатентовала технологию распылительной индукции, и коммерческие предложения продуктов ограничены этой единственной компанией.
Конструкции рециркуляционного скиммера
Недавняя тенденция заключается в изменении метода, с помощью которого скиммер получает «грязную» воду из аквариума, как средство многократной рециркуляции воды внутри скиммера, прежде чем она будет возвращена в отстойник или аквариум. Аспирационные насосные скиммеры являются наиболее популярным типом скиммеров для использования рециркуляционных конструкций, хотя другие типы скиммеров, такие как скиммеры Beckett, также доступны в рециркуляционных версиях. Хотя среди некоторых аквариумистов распространено мнение, что эта рециркуляция увеличивает время пребывания или контакта образующихся пузырьков воздуха внутри скиммера, нет никаких авторитетных доказательств того, что это правда. Каждый раз, когда вода рециркулируется внутри скиммера, любые пузырьки воздуха в этом образце воды уничтожаются, и новые пузырьки генерируются аппаратом Вентури рециркуляционного насоса, поэтому время контакта воздуха с водой начинается снова для этих вновь созданных пузырьков. В конструкциях нерециркуляционного скиммера скиммер имеет один вход, снабжаемый насосом, который всасывает воду из аквариума и впрыскивает ее с воздухом в скиммер и выпускает пену или смесь воздуха и воды в реакционную камеру. В конструкции с рециркуляцией один вход обычно приводится в действие отдельным насосом подачи или в некоторых случаях может быть гравитационным, чтобы получать грязную воду для обработки, в то время как насос, подающий пену или смесь воздуха и воды в реакционную камеру, устанавливается отдельно в замкнутом контуре на боковой стороне скиммера. Рециркуляционный насос всасывает воду из скиммера и впрыскивает воздух для создания пены или смеси воздуха и воды перед возвратом ее в реакционную камеру скиммера — таким образом, «рециркулируя» ее. Питающий насос в конструкции с рециркуляцией обычно впрыскивает меньшее количество грязной воды, чем конструкции с прямотоком/противотоком. Отдельный питающий насос позволяет легко контролировать скорость обмена воды через скиммер, и для многих аквариумистов это одно из важных преимуществ конструкций рециркуляционного скиммера. Поскольку конфигурация насоса этих скиммеров аналогична конфигурации насоса аспирационных скиммеров, преимущества в энергопотреблении также аналогичны.