使用蛋白分離器淨化是保持水族箱内水質的主要策略。除水族箱本身的消費外，蛋白分離器是最昂貴的，幾乎占所有設備總價值的絕大部分。由于其在水質淨化中不可替代的作用和高昂的價格，蛋白分離器制造商們竭盡全力的宣傳，慫恿魚友購買。到底有多少魚友能拒絕這樣的廣告:

Precision Marine:

"這些蛋白分離器能夠撇除水族箱的任何物質。" "我們的蛋分能迅速分離系統内高速循環水流中的有機物質。"

AETech (ETSS):

"本品将為您提供獨特的可操控性，請區别于其它産品。為您的水族箱柔和而高效的撇除雜質，而不會出現過度撇除現象。該分離器内能夠産生最佳體積的氣泡，使分離器内充滿氣泡的海水呈現出如牛奶般的乳白色。氣泡與海水達到最長時間接觸，減少無效泡沫。"

Euroreef:

"自選泵頭， "Euro-AirTM" venturis, 與 "Euro-WheelTM" pinwheel styleimpellers組合能夠産生難以置信的微氣泡，形成氣體與水中有機分子的最大接觸面，保持水族箱清潔健康。" "超高的工作效率和更低的價格來源于先進的設計"

這些廣告詞是有代表性的幾個，而且不是孤立存在的，但留下了一些問題:

• 它們的效率果真如宣傳所描述的那麼神奇嗎?

• 蛋白分離器制造商是如何分析測試産品的工作效率呢?

• 目前是否有公認的蛋白分離器工作效率評判标準?

• 當我們讨論蛋白分離器時，它的工作效率的準确定義又是什麼?

在接下來的文章裡，我們将詳細讨論上述問題，介紹蛋白分離器工作效率的準确定義，該定義着重考慮海水中有機物質的撇除速率以及撇出物質的總量。 然後我們将會在模型系統上進行一個實驗程序，比較四種大品牌蛋白分離器技術參數。最後，模型系統将通過精确的水質參數曲線再現蛋分工作效率。我們希望這些建議能夠為蛋分設計和制造者提供有用信息，依此改良蛋白分離器性能。不過，這個嘗試可能給那些宣稱是“最棒”的産品一個毫不客氣地測試結果。

1、什麼是蛋白撇除？

使用蛋白分離器淨化水質的基本原理在魚友中已經十分普及了，這裡簡單說明，不做過細讨論。總體上來說，撇除原理是向容器内通入氣泡，在氣泡上吸附了有機物質和其它雜質後使用物理方法去除氣泡。氣泡注入以及氣泡與海水混合直至最終分離可以有很多方法。方法上的不同最終導緻了制造商所宣稱的效果不同。氣泡本身是關鍵因素，因為它們能夠為有機分子提供一個空氣-水的多重介質交互表面，某些有機分子可以吸附在其表面。事實上，并不是所有的有機分子都具有這樣的吸附特性的，隻有那些具有親水和排水雙重特性的分子才能牢牢地吸附在氣泡表面。具有完全親水特性的蛋白質分子仍然留在海水中，完全排水的蛋白質被排斥在海水外，轉移到氣泡内充滿氣體的空間中。圖1是一般蛋白分離器的示意圖。海水通過水泵由水族箱内抽入，在輸入蛋分前注入小氣泡，氣泡在上升過程中吸附有機分子，蛋分内與氣泡分離的海水由下面的孔流回水族箱，水中的部分有機分子被排除。氣泡在蛋分頂部聚集形成泡沫，不斷向上湧出的泡沫最後都會流入廢液收集杯中。泡沫中攜帶着大量的有機分子，去除這些泡沫的同時就完成了淨化海水的過程。另外，還有一些溶解在水中的其它有機分子和水中的微生物也被排出系統。撇除過程并不會真正撇除所有原子、分子，完全溶解于水中的分子和親水分子很難去除，如部分有機分子、鹽、無機磷酸鹽和碳酸鹽等。

圖1.撇除效果示意圖.

2、撇除方法的曆史

最早文獻記載的使用泡沫法從水中去除有機分子的科學家是德國人Ostwald和Schutz。1960年，Huckstedt将此方法介紹到水族系統中。但是當時這種方法并沒有受到廣泛關注，直到1990年代，珊瑚飼養時代的帶來，該方法才再次被人們重視。 另一種使用泡沫淨化海水的技術是在1969年由Wallace介紹的。其中第一種方法後來發展出了兩個分支，一是污水淨化，二是蛋白提取。在水族箱内應用蛋白撇除技術維護系統是泡沫撇除技術在這一領域的重大突破，現代蛋白分離器技術也是在此基礎上發展出來的。泡沫撇除技術在食品、制藥業的特殊功效已被得到公認，尤其是從稀釋的蛋白質溶液中分離或提取蛋白質的重要作用。本文中，我們僅探讨蛋白撇除在水族系統中地作用。在食品和制藥業，撇除的作用在于收集溶解于水中的蛋白質，相反，蛋白分離技術在水族箱中是要去掉不利水質的溶解性蛋白。無論如何，程序都是一樣的。很多專業小組研究針對不同溶液，不斷優化提取技術。他們發現，這種技術在水族箱内也适用。研究人員努力研發如何測量氣體流動速度(a) gas flow rate, (b)液體流動速度 liquid flow rate,和 (c)氣泡體積影響在蛋白撇除效果中的變化 縮enrichment (E) 和重新提取 recovery (R)，濃縮 Enrichment (E) 的定義略有不同。有些人把濃縮比率定義為分離器撇除的泡沫中蛋白質含量 / 待處理水中蛋白質含量（圖1）。另外一些人将此定義為分離器撇除泡沫中的蛋白質含量 / 被分離處理過的水腫蛋白質含量（圖1）。兩者數據相差不是本質性的，所以無所謂。另一個重要參數是重新提取率recovery (R)，即蛋白分離器分離出的蛋白質數量 / 經過蛋白分離器處理水體總蛋白含量。重新提取率 recovery R可以用提取率加時間的格式表示，例如90分鐘提取50%。這兩個參數是從兩個不同方面進行測量，因此形成兩個參數的反比特性。

濃縮和重新提取在泡沫撇除統計中都有用武之地。幹泡沫中含有少量的水份，這種描述正式濃縮的意思。 因此，排除的幹泡沫量越大，從系統中排出的廢物越多。相反，濕潤泡沫中含有大量水分，排出速度更快。也就是說，攜帶着大量有機質的濕潤泡沫能更快的去除水體中的廢物。在這種情況下，最大的重新提取率應該導緻最大的海水淨化率。 進步一讨論，如果制造商分别使用不同的标準衡量，那麼從濃縮和重新提取兩個不同角度的比較就沒有意義了。濕潤泡沫内含有更多的鹽分，因此會引起系統内鹽分的缺失，需要向系統内補充鹽分以固定水體比重。 缸内的總體鹽度會有變化，因此經常會看到介于幹濕之間的泡沫。 在最終的分析中，任何可提高泡沫總撇除量的因素都是可以提高淨化水質的參數。蛋白提純研究關注于濃縮率，因為在食品和生物制藥工業中，蛋白的純度是至關重要的。因此該兩行業甯可犧牲一些提取率，也絕不會降低提純率。無論怎樣，蛋白提純技術中的重要經驗同樣也會為水族蛋白分離器提供幫助。 圖表2，3，4是蛋白提純的典型說明。在這個研究中，模型蛋白 Bovine Serum Albumin (BSA) 溶解在鹽水中(~ 5.8 ppt of NaCl; compare saltwater ~ 35 ppt of all salts) ，循環通過一個蛋白分離器模型，并向模型内注入空氣。對收集的泡沫進行蛋白凝結分析，分離器模型的進水和出水也将同時被分析。圖表2說明在實驗通氣量不斷變化時濃縮和重新提取是如何區别表現的。高速通氣量會降低濃縮率，而提高提取率，至少在實驗測試範圍内是如此表現的。

圖表2.蛋白分離器工作效率與氣體通量關系(from Brown, 1990).

圖表2-4的曲線關系在模型系統中進行的，實際的水族箱設置中的表現還需要進一步證實，當然，這些實驗性的結果将為蛋白分離器行業分離效果标準檢測方法标準做出示範性的作用。例如，在其中一個因素，Uraizee讨論的最佳的氣泡直徑能夠得到最大的濃縮效果。 這個頗具煽動性的建議增加了氣泡體積在增大有機物排除速率的片面觀點。水族學家利用關于濃縮和提取方面的信息通論可能傾向的結論是最好的蛋白分離效果應該使用較低的水流速率同時有較高的氣體通入速率。 一會兒我們要讨論的其他相關方面也能衡量效果，不必死盯着這一點。 除了上述所說的三個可變的重要參數（蛋白分離器内水流速度，氣體通入速度和氣泡直徑，我們對其它一些蛋白分離器效率有關的方面也進行了檢驗。 如：（1）海水的PH值，（2）模型蛋白的濃度，（3）反映倉内液面高度與濃縮和提取率的關系曲線都進行了測試。更主要的是，我們花了很大精力在蛋白數學模型的建立方面，該模型能夠根據輸入值的變化預測濃縮和提取率。不幸的是，這個數學模型是建立在直接測量數據的基礎上的，沒有進一步的超越。有興趣的讀者可以參考有關文章。

今天就到這裡，明天會講到：

3、我們研究的目的

4、蛋白分離器工作效率的公制定義

5、撇出率的數學表述

—今日話題—

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—END—

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