Protein Skimmer l’estrattore di proteine

Il Protein Skimmer, anche detto schiumatoio, è un dispositivo capace di concentrare e rimuovere dall’acqua materiali in essa disciolti, attraverso il loro accumulo in bolle d’aria, permettendo così al filtro biologico di operare al 100% della sua capacità elaborativa.

Esso consiste di base in un tubo (la colonna di contatto) per la concentrazione di bolle, di un dispositivo di aerazione, di un ingresso ed una uscita d’acqua e di uno scarico per la schiuma di scarto.

Il suo nome Protein Skimmer è però fuorviante,  il nome più appropriato sarebbe Frazionatore di Schiuma poichè è la concentrazione di bolle (schiuma) che serve per separare il materiale disciolto dall’acqua.

Come sappiamo l’acqua in un circolo chiuso, come è un acquario o un pond, contiene un certo livello di rifiuti organici e sostanze nutritive che ne influenzano la qualità. La maggior parte del materiale disciolto in acqua, definito dalla scienza con il nome di DOC (Dissolved Organic Carbon – carbonio organico disciolto), è il prodotto dell’attività di biodegradazione di alcuni batteri oppure è lo scarto rilasciato dalle alghe e da altri organismi come parte della loro normale funzione corporale.

Il concentrarsi del DOC non può essere visto ad occhio nudo tuttavia, una volta che il livello è sufficientemente elevato, i suoi effetti sono visibili in acqua in quanto porta a:

1) Accumulo di sostanze tossiche che influenzano il pesce e la sua salute;
2) Meno ossigeno disciolto nell’acqua poichè aumenta la domanda biochimica di ossigeno, in termini tecnici BOD;
3) Diminuzione chiarezza e decolorazione delle acque;
4) Odore sgradevole e gusto;
5) Aumento della crescita di alghe, batteri e piante.

Inoltre, alcuni tipi di DOC possono essere successivamente degradati da alcuni tipi di batteri eterotrofi presenti in acqua, tramite un processo chiamato mineralizzazione, che convertono DOC in sostanze tossiche quali ammoniaca e anidride carbonica.

Tutto quanto sopra detto, complessivamente, si traduce in condizioni insalubri per le Koi che ne influenzano sia le condizioni di salute che la crescita.

Perchè un protein skimmer?

Molti sono i dispositivi e le procedure esistenti per rimuovere alcuni degli effetti di sintesi. Per esempio i filtri biologici,  i filtri meccanici, i filtri chimici o più semplicemente lo scambio di acqua.

Poiché però la DOC è sciolta in acqua, il protein skimmer rimane il migliore mezzo di rimozione dei rifiuti organici un altri filtri più tradizionali non riescono ad intercettare.

Come funziona un estrattore di proteine?

Le due chiavi per una efficace estrazione di proteine ​​(o frazionamento di schiuma) dall’acqua sono: le bolle d’aria ed i tensioattivi o surfactanti.

Le DOC sono composti-surfattanti la cui superficie è definita come “attiva”. Questo significa che, quando un composto tensioattivo è in acqua, la sua molecola presenta una coda non polare idrofoba (cioè odiante l’acqua) che cerca di salire alla superficie d’aria.

Normalmente, l’unica “surface air” in un laghetto è la sua superficie ma se delle bolle vengono aggiunte all’acqua stessa ecco si può creare una maggiore superficie d’aria.

Più superficie d’aria abbiamo a disposizione e più tensioattivi (DOC) sono da essa attratti e di conseguenza rimossi.

Le bolle piccole hanno una superficie maggiore di quelle più grandi ed inoltre, salendo con meno vigore alla sperficie, rimangono più a lungo in acqua e di conseguenza è più lungo il loro tempo di contatto con il tensioattivo.

I protein skimmer ​​sfruttano in sintesi questa proprietà fisica (l’idrofobia); producono una grande quantità di bolle in uno spazio controllato (colonna di contatto) che serve a concentrare sia le bolle che il DOC.

Quando le bolle risalgono la colonna d’aria, i tensioattivi (DOC) si attaccano alla loro superficie con la coda idrofoba ” inserita dentro” ed in contatto con l’aria. Le bolle, risalendo, portano quindi la DOC alla superficie dell’acqua dove forma della schiuma e, siccome la DOC preferisce l’aria, i composti rimangono in superficie piuttosto che ri-sciogliersi nell’acqua del pond.

Questo processo viene ripetuto migliaia di volte al minuto così che una grande quantità di schiuma può essere generata.

La dimensione delle bolle che è in grado di formare ed il loro tempo di contatto con la DOC, determina il funzionamento del Protein Skimmer e la sua efficacia.

La schiuma che cresce nel tempo viene raccolta in una ciotola ed ovviamente rimossa.

 Quali sono i vantaggi derivanti dall’uso di questa tecnologia? 

Utilizzare un frazionatore di schiuma sulla linea di depurazione del proprio laghetto offre diversi vantaggi importanti tra cui:

1) La rimozione di proteine e composti ad alto peso molecolare e di conseguenza questa modalità di filtrazione, riuscendo a separare in maniera fisico-meccanica dannosi rifiuti organici disciolti nell’acqua prima del processo di biodegradazione, riduce il carico sul filtro biologico;

2) La rimozione dei solidi sospesi;

3) Regola il livello di anidride carbonica in acqua: durante il processo di alimentazione dei pesci e la decomposizione della materia organica, il livello di anidride carbonica dell’acqua aumenta e si traduce in un aumento del livello di stress.

3 ) Aumento della limpidezza dell’acqua attraverso la rimozione di acidi umici e composti fenolici;

4) Aumento dei livelli di ossigeno disciolto in quando, diminuendo il BOD, esso non serve al processo di degradazione organica;

5) Stabilizzazione del Ph attraverso la rimozione di acidi organici.

SUGGERIMENTI PER L’AUTOCOSTRUZIONE

Sul mercato sono disponibili molti modelli di Protein Skimmer, sia in colonna che rotondi, di semplice installazione e capaci di ottime performance.

Una volta però compreso il meccanismo di funzionamento l’autocostruzione non è difficilissima ed i risultati (forse non dal punto di vista estetico) sono quasi professionali.

Eccone un esempio di perfetta realizzazione: il protein skimmer dell’amico Oscar Chiari

In rete è facile trovare molti e buoni schemi costruttivi nonchè video di realizzazioni sui vari repository tipo YouTube, per cui ci asteniamo dall’elencare pedissequamente le fasi di costruzione limitandoci a due principali aree di messa a fuoco: metodo di scorrimento dell’acqua e iniezione d’aria.

Per lo scorrimento d’acqua due sono i metodi generali: equicorrente o controcorrente che semplicemente definiscono in che modo l’acqua scorre rispetto al flusso delle bolle nello skimmer. Nello skimmer equicorrente l’acqua scorre nella stessa direzione delle bolle  mentre nel controcorrente l’acqua scorre contro il flusso verso l’alto delle bolle.

Di gran lunga il modo più efficiente per costruire il device è la condizione di flusso in controcorrente in quanto consente alle bolle di mantenere un tempo di contatto più lungo con l’acqua rispetto alla condizione di flusso equicorrente. In manualistica è stato stimato che alcune proteine ​​necessitano di 2 minuti di tempo di contatto con l’aria per collegarsi correttamente alla bolla.

Per quanto riguarda l’introduzione dell’aria, quattro dei metodi principali sono: 1) pompa ad aria / porosa, 2) Venturi, 3) Downdraft, 4) Beckett.

Il metodo pompa di aria / airstone è abbastanza semplice: una pietra porosa collegata ad una pompa d’aria viene inserita nella parte inferiore della camera di reazione e l’acqua fluisce dal basso verso l’alto o dall’alto verso il basso a secondo del flusso costruttivo scelto.

Uno skimmer Venturi aspira l’aria da sopra la linea di galleggiamento per immetterla in acqua attraverso un dispositivo Venturi.

Uno skimmer Downdraft utilizza una pompa in pressione per spingere un elevato volume di acqua in un tubo riempito con bioballs. Questo tubo ha attaccato una valvola che immette aria nella camera di miscelazione dove  l’acqua impatta con le bioballs.

Uno skimmer Beckett funziona in modo simile ad uno schiumatore Downdraft tranne che utilizza un iniettore Beckett per generare una grande quantità di schiuma.

I metodi 2, 3 e 4 utilizzano quindi la pompa sia per alimentare d’acqua lo skimmer che per introdurre aria nella camera di reazione. Questo è un bene dal punto di vista energetico, in quanto non occorre una fonte esterna di insufflaggio, ma limita l’utente nel controllo indipendente della portata dell’acqua rispetto al volume dell’aria iniettata. Con queste opzioni infatti, se una persona dovesse diminuire il flusso dell’acqua attraverso lo skimmer, diminuirebbe anche la quantità di aria iniettata nella camera di reazione. Ecco perchè essi, nonostante non abbiano consumi di insufflazione, richiedono grande energia in quanto monopolizzano le pompe per produrre un flusso  sufficiente ad aspirare aria nella camera dello skimmer.

L’opzione 1 invece consente il controllo indipendente sia del flusso d’acqua attraverso la portata dello skimmer che dell’aria nello skimmer. Questa tipologia, quando progettata correttamente, è tipica degli skimmer più efficaci sul mercato.

E’ quindi sui Parametri di progetto di questa tipologia che ci concentreremo definendo i seguenti punti critici nel design del nostro Protein Skimmer:

1. La portata d’acqua attraverso lo skimmer;

2. L’altezza dello skimmer;

3. La quantità di aria pompata nella camera di reazione dello skimmer;

4. Il diametro dello skimmer.

Vediamo i punti sopracitati uno alla volta.

 1. Portata dell’acqua attraverso lo skimmer

Per una schiumatura ottimale, utilizzando un design controcorrente, l’intero volume d’acqua nel laghetto NON deve passare attraverso lo skimmer più di due volte al giorno. Per skimmer Venturi, Downdraft o Beckett, questo requisito è quasi un’impossibilità virtuale in quanto le pompe hanno bisogno di pompare enormi quantità di acqua per produrre una quantità sufficiente di aria per schiumare.

Questo può sembrare strano e persino scioccante per molte persone. Tutti siamo portati a credere che lo schiumare più efficace ed efficiente, sia dipendente dal necessario aumentare del flusso d’acqua attraverso lo skimmer in quanto la DOC (Dissolved Organic Carbon) si metterà in contatto con le bolle d’aria più volte ogni ora. Questo non è il nostro caso. L’acqua corrente attraverso lo skimmer non è il fattore limitante

Quando si tratta di esportazione di nutrienti è la quantità di aria in contatto con ogni “goccia” di acqua il fattore limitante di quanta DOC uno skimmer tira fuori dalla colonna d’acqua. Alcune sostanze organiche richiedono fino a 2 minuti pieni di tempo di contatto con le bolle d’aria in uno skimmer prima di essere rimosse tramite frazionamento di schiuma. Ciò rende la necessità di un flusso lento attraverso lo skimmer cruciale per il corretto design e funzionalità.

La seguente tabella può essere usata per determininare la necessaria portata dell’acqua attraverso lo skimmer assumendo un 2x il tasso di rotazione al giorno. E’ in galloni, ma è semplice fare la conversione in litri utilizzando i convertitori in internet.

 

Identifichiamo i galloni di acqua contenuti nel nostro laghetto nel grafico sull’asse X e seguiamo il valore in verticale fino alla linea verde. Fatto il punto, seguiamo la linea verso sinistra sull’asse Y. Questa è la portata che deve fluire attraverso il vostro skimmer per una schiumatura ottimale e che vedrà passare tutta la vostra acqua del pond attraverso lo skimmer due volte al giorno.

Facciamo un esempio pratico con il mio laghetto che è di circa 12 m³. Tale volume equivale approssimatamente a 3200 galloni.

Andando sull’asse X al punto 320 (in scala 10), seguo la linea in verticale fino ad intercettare la linea verde. Ora proseguo verso l’asse Y per scoprire quanti galloni d’acqua devono passare attraverso il mio skimmer ogni ora. Nel mio caso il grafico indica circa 240 GPH. Moltiplicando per 10 e convertendo la misura il risultato è una portata di circa 9.000 litri/h.

Vedendo questo risultato qualcuno potrebbe sollevare questa domanda:  ma se nel tuo skimmer scorrono 9.000 litri/h  ed il tuo laghetto è di 12.000 litri, tutto il volume della tua vasca dovrebbe passare attraverso lo skimmer ogni 1.33 ore (12000 / 9000 / hr) e non ogni 12 ore.

Contrariamente a quanto si possa pensare, questo non accade. Pensateci bene : ogni volta che un litro d’acqua passa attraverso lo ski
mmer esso si scarica nella vasca “unskimmed” diluendosi in tal modo, cosicchè l’acqua viene continuamente spinta attraverso lo skimmer, “schiumata” e ributtata in acqua “non schiumata”. Così facendo sempre più  acqua “magra” viene pompata nuovamente nel serbatoio, e sempre più acqua “scremata” fluirà indietro attraverso lo skimmer.

Grazie all’ingegneria idraulica con l’equazione T = 9.2 (G / F) è possibile calcolare quando il 99,99% dell’ acqua contenuta in una vasca è passata attraverso lo skimmer. Dove T = tempo, G = volume totale di acqua e F = flusso orario mentre 9.2 è un coefficiente che produce una purezza 99,99%.

Quindi se applicata al mio laghetto T= 9.2 x (12000/9000) , mi indica che il 99,99% del mio volume passa attraverso il mio skimmer in 12,26 ore, in linea con l’indicazione di ottima schiumatura.

2. Altezza dello skimmer

Questo parametro è abbastanza semplice. Rendete la camera di reazione dello skimmer più alta possibile per massimizzare il tempo totale di contatto tra l’acqua e l’aria. E’ altamente consigliata una altezza minima di 1,2 – 1,5 mt per la camera di reazione per ottimizzare il tempo di contatto, anche se ognuno potrebbe andare più in alto o più in basso delle lunghezze raccomandate per soddisfare le loro necessità applicative.

3. Quantità di aria pompata nella Camera di Reazione

Secondo Escobal nel suo “Aquatic Systems Engineering: Devices and How They Function”, il limite massimo di quantità d’aria all’interno dello skimmer, in qualsiasi momento, è il 13% del volume dell’acqua all’interno dello skimmer.

Anche se Escobal nel suo libro illustra il lettore attraverso i calcoli sul perché di questo limite massimo, non ho intenzione di tediarvi con le complesse formule di come questo dato sia stato tirato fuori. Tuttavia è utile ricordarlo in quanto sopra tale soglia l’aria andrà a sopraffare l’acqua stessa e lo skimmer si esaurisce non producendo bolle.

Ci sono due parametri importanti nell’iniezione d’aria nello skimmer per avere una esportazione di nutrienti ottimale:

1) Conservare le bolle d’aria più piccole possibili;

2) Ridurre al minimo la turbolenza delle bolle d’aria nella camera di reazione dello skimmer.

Il primo requisito è piuttosto semplice da capire, vi faccio un esempio. Diciamo che abbiamo un pallone da calcio e che al suo interno abbiamo un volume di aria. Ora estraiamo la quantità di aria all’interno del basket e mettiamola all’interno di un mucchio di palle da tennis. Ci vuole un sacco di palle da tennis per contenere il volume di aria del pallone. Ora, se guardiamo il loro esterno chi ha più superficie? Le palle da tennis tutte insieme hanno una superficie maggiore di quella del singolo pallone di calcio.

Applichiamo questo concetto alle bollicine finissime; più piccola è la bolla, più superficie ha relativamente al volume totale di aria. Più superficie hanno le bolla e più avranno spazio le code idrofobiche delle DOC per attaccarsi all’interno dello skimmer.

Così ora sappiamo che abbiamo bisogno di avere una dimensione di bolla molto fine e come possiamo farle all’interno del nostro skimmer? Semplicemente utilizzando una finissima dimensione dei pori della pietra porosa insufflante. Attenzione, va notato che solo una certa quantità di aria può essere pompata attraverso una singola pietra porosa prima che la pressione soverchi la pietra stessa. Una volta che l’aria vince la pietra porosa, saranno prodotte bolle più grandi.

La chiave è quindi quella di utilizzare più di una pietra porosa se ​​necessario per avere una dimensione della bolla corretta.

Il secondo requisito, ovvero minimizzare la turbolenza delle bolle d’aria all’interno dello skimmer, è cruciale e la ragione di questo è dovuta ai diversi tipi di organici disciolti nella colonna d’acqua.

Diverse sostanze organiche sono attratte alla superficie delle bolle d’aria in misura diversa, a seconda della struttura molecolare del composto disciolto. Alcuni composti sono molto attratti dalla bolla d’aria, altri lo sono più debolmente.

Se la miscela aria/acqua all’interno del protein skimmer è turbolenta, i composti fortemente attratti resteranno attaccati alla bolla d’aria mentre i composti leggermente attratti cadranno e pertanto non verranno schiumati fuori dalla colonna d’acqua.

Minimizzando la turbolenza all’interno dello skimmer entrambi i composti, fortemente e debolmente attratti, sono elaborati dallo skimmer. Quello che si deve vedere è un bel flusso fiorente di finissime bolle d’aria verso l’alto nella colonna d’acqua. Se vediamo turbolenza eccessiva all’interno della camera lo skimmer non è sincronizzato correttamente nella miscela aria/acqua.

4. Diametro del protein skimmer

Anche questa parametro è abbastanza semplice da capire; maggiore è la quantità di acqua da schiumare, maggiore è il diametro necessario del protein skimmer per una estrazione proteica efficace

Questo requisito ha inoltre legami con la quantità di aria pompata nella camera di reazione del protein skimmer e nella minimizzazione della turbolenza dell’aria che fluisce verso l’alto nella camera.

Sulla base di questi requisiti, Escobal nel suo libro ha pubblicato un grafico dove specifica il diametro richiesto per serbatoi di volume noto.

 

Il grafico è abbastanza semplice da usare, basta trovare il numero di galloni della vasca sull’asse X e seguire in verticale fino ad intersecare la linea  “12 ore Limite linea” nella parte superiore del grafico. Ora guardando le linee diagonali di diametro idenftificarne una che più si avvicina alla linea che si è seguita sul grafico.

Questo è il diametro per il protein skimmer che state progettando.

Se il punto in cui si intersecano la “12 Ore Limite Line” è tra due delle linee diagonali è possibile e consigliato, scegliere il diametro più grande in quanto vi permetterà di avere più capacità di schiumatura.

 letteratura: “Aquatic Systems Engineering: Devices and How They Function”  – PR Escobal ; “Fundamentals of Aquaculture Engineering” – Springer US ; “Suspended solids control in recirculating aquaculture systems” – Chen, Shulin; Malone, Ronald