Lunes, 27 de agosto de 2007
Introducción

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La mayoría de los desechos orgánicos no deseados en nuestros acuarios se adhieren a la superficie de una interfase líquido-gas. Estos materiales de "superficie activa", incluyendo los desechos de los peces, el alimento que no fue comido y la materia en descomposición es a lo que atribuimos la contaminación de nuestros tanques. Asociamos esta basura con el incremento de algas dañinas, las explosiones de cianobacteria y en general con la mala apariencia de nuestros tanques. Mientras agregamos nuevos peces y/o incrementamos la cantidad de comida en nuestros tanques deseamos poder remover todos los contaminantes generados potencialmente. La buena noticia es que podemos reducir la presencia de estos productos en nuestros tanques antes de que causen problemas. Una forma de remover los desechos orgánicos de un acuario es a través de la formación de espuma (espumar).

Hace algunos años en la industria de tratamiento de aguas residuales se inventó el espumador proteínico. Se usó principalmente para reducir la carga biológica en el agua que pasaría por los reactores de lodos activados. Esta técnica explota la característica de los desechos orgánicos de adherirse a burbujas de aire. En términos sencillos, el agua de un acuario cargada de desechos orgánicos se pone a reaccionar con una columna de burbujas, estos desechos orgánicos se pegan a la espuma, que después es retirada. La espuma se produce cuando un gas pasa a través de un líquido que contiene grandes cantidades de surfactantes (substancias que reducen la tensión superficial).

En las siguientes secciones de este artículo me gustaría explorar los principios básicos de los espumadores proteínicos (también conocidos como separadores de espuma, generadores de espuma, desnatadoras o colectores de aire), discutir como funciona la generación de espuma y algunos de los espumadores comúnmente disponibles.

Entonces, ¿Qué estamos tratando de remover?
Por supuesto que el excremento de los peces. Honestamente, las proteínas desechadas son solo una pequeña parte de todo lo que deseamos eliminar. Según Millero [1], la concentración de proteínas en el agua marina (como aminoácidos) está entre 0.02 y 0.25 ppm (20 a 250 mg/l). Esto es como un 2 a 3% de los compuestos orgánicos presentes en el agua de nuestro tanque. Sin embargo, los datos presentados por Shimek [2] de un estudio realizado en 23 tanques de ornato mostraron concentraciones de proteínas de 0.00 a 0.00+, sugiriendo que estos estaban prácticamente libres de las proteínas que son detectables. Existen algunos otros desechos orgánicos que son más fáciles de detectar son las aminas primarias y secundarias, azúcares, alcoholes y los ácidos grasos. La medición de lípidos (grasas) estuvo en promedio entre 1.361 y 0.940 ppm con un máximo de 3.20 y un mínimo de 0.00 en el mismo estudio [2]. Entonces las preguntas son: ¿Qué remueven los espumadores proteínicos? O más importante aún ¿Por qué los llamamos espumadores proteínicos cuando no hay proteínas que remover?

Compuestos Orgánicos Disueltos (CODs)
Los CODs son las moléculas de desperdicio que los espumadores están diseñados para remover; estas son generadas como subproductos de la descomposición de los materiales biológicos. Esta contaminación no sólo proviene de la introducción deliberada de alimentos en nuestro tanque sino también de la descomposición de materia orgánica natural (bacteria, algas, etc.). Los CODs son moléculas bipolares; estos surfactantes son atraidos por las interfases aire/agua (ej. Las burbujas). Una molécula bipolar contiene uno o más átomos que tiene afinidad con el aire, y uno o más que la tienen con el agua. Un espumador explota esta diferencia de la siguiente forma:

"Al moverse una burbuja de aire a través de una columna de agua con materia orgánica, las moléculas de proteínas eléctricamente cargadas (las cuales contienen regiones eléctricamente polares y no polares) son atraídas a la interfase aire / agua de la burbuja. Las regiones polares de la molécula (formada por átomos de nitrógeno, oxígeno, etc.) son atraídas por la interfase aire / agua, estas "colas" polares se separan de la burbuja hacia la columna de agua. Las regiones no polares se pegan a la burbujade aire porque no les "gusta" estar en contacto con el solvente polar (Ej. agua). Si se pudiera observar la burbuja en un acercamiento a nivel molecular parecería una esfera difusa con "colas" de proteínas y otras "colas" eléctricamente cargadas tratando de separarse de ella. La región polar que rodea a la burbuja la estabiliza de la misma forma que sucede con las burbujas de jabón en el lavabo o en la lavadora de platos. Por esta razón se empieza a formar espuma en la superficie del espumador. Conforme las burbujas cargadas de proteínas alcanzan la parte superior del espumador, estas proteínas se acumulan y forman una espuma estable. Las burbujas de esta espuma estable tardan mucho tiempo en estallar, luego entonces las proteínas se acumulan en la parte superior del espumador donde son empujadas lentamente a través del "cuello" de éste hacia la taza de recolección."
Esta descripción escrita por Shane Graber, se encuentra en su totalidad aquí.

Mientras más tiempo estén en contacto los CODs con las burbujas, una mayor cantidad se adherirán a las burbujas para ser removidos. Mayores tiempos de contacto permiten que las moléculas menos adherentes sean atraídas y "pegadas" a las burbujas. Además de los CODs otros compuestos también pueden ser removidos, Estos pueden ser los COVs (Compuestos orgánicos volátiles), COP (compuestos orgánicos en partículas), alimento para peces, elementos traza, metabolitos secundarios de los corales suaves, bacterias, macro y micro plankton, huevos de coral y esperma y otros compuestos similares

De acuerdo, así que ¿Cómo fabricamos un espumador proteínico?
Consideraciones teóricas vs. la realidad
Si construyéramos un generador de espuma de la forma más sencilla, este parecería un tubo donde inyectamos pequeñas burbujas en su parte central y baja. El agua cargada de desechos se bombearía dentro de este tubo con la intención de que los desechos se adhieran a las burbujas. Si recuerdas lo visto en la sección de CODs, las burbujas funcionan como un absorbente, y las moléculas de desecho se adhieren a este y son removidas en forma de espuma. Con esta descripción exploremos las partes de un espumador sencillo.

Un espumador tiene al menos tres partes:

1. El cuerpo del espumador, donde se lleva a cabo el contacto entre los CODs y el agua.
2. El área de separación de espuma o tubo de elevación, donde se separa la espuma con desechos orgánicos del agua.
3. La taza de recolección, donde la espuma se desborda del tubo de elevación y es drenada (imagen abajo).



Organic laden foam collected= espuma cargada de desechos orgánicos colectada,
organic laden water in = entrada de agua cargada con desechos orgánicos,
Air bubles= burbujas de aire, Water out= salida de agua.

Esta descripción en realidad puede tener muchas formas y la diversidad de espumadores disponibles sugieren que esto es cierto, la realidad es que la descripción que hice de la forma del espumador no se parece a los que hay actualmente disponibles, esto hace que los aficionados se confundan. Con tantos espumadores disponibles en el mercado ¿Cuál es el "mejor" para su tanque?. La conclusión es; NINGUNO es el mejor. Muchos aficionados buscan el espumador perfecto, uno que removerá todo el desperdicio orgánico del tanque, será de tamaño compacto, barato de operar y requerirá muy poco mantenimiento. En realidad ¿Qué espumador usar? es una adivinanza. Lo que sabemos es que la efectividad en la remoción de desperdicios orgánicos depende del diseño del espumador. La confusión se suscita cuando el aficionado se enfrenta a la publicidad de los fabricantes. Lemas como: "El Cycloskim2000 de solo 45 cm de altura fácilmente remueve los desechos de su tanque de 100 galones con solo 1 watt de energía" son comunes en la publicidad de los fabricantes, la pregunta es ¿Cómo separamos la verdad de la publicidad? Para mí, la manera más sencilla de decidir que espumador comprar es entendiendo algunos principios teóricos del espumado y luego aplicarlos en la práctica. En el capítulo 9 del libro Ingeniería de Sistemas Acuáticos: Dispositivos y Cómo funcionan, P.R.Escobal 2000 [3], Escobal presenta algunos principios teóricos que pueden "redondear" la eficiencia del espumador. Estos se presentan originalmente en forma de tabla #1.

Segunda Ley: La taza de bombardeo (número de veces que una burbuja de aire limpia topa con una gota de agua) depende de la duración del intercambio con el agua del tanque y del diámetro del espumador.
Tercera Ley: Longitudes o alturas mayores sólo aumentan el tiempo absoluto de contacto pero no afectan la taza de bombardeo.
Quinta Ley: El flujo de aire que entra al espumador deberá producir una explosión ascendente de burbujas con mínima turbulencia y es teóricamente determinado en función de: el diámetro del espumador, su longitud, la taza de bombardeo y el tiempo absoluto de contacto.
Sexta Ley: El valor de la taza de bombardeo dentro del espumador, su longitud, diámetro y flujo de aire deberán ser los correctos para tener una operación óptima.

Tabla #1


Simplificar y resumir estas "leyes del espumado" nos permite enfocar nuestro esfuerzo para tener un espumado óptimo (Tabla 2). Esta es una lista de principios donde hay cuatro parámetros que deberán ser considerados.




Consideraciones para el diseño del espumador

• El flujo de agua a través del espumador
• La altura del espumador
• La cantidad de aire bombeada dentro de la cámara de reacción del espumador
• El diámetro del espumador



Tabla #2




1) Para un espumado óptimo el flujo de agua a través del espumador deberá ser lo suficientemente lento para permitir la interacción entre las burbujas de aire y los desechos orgánicos. El mejor diseño para lograr esto es en espumadores donde el flujo de agua es contrario al flujo de las burbujas. Estos son llamados espumadores de contra-corriente. Sin embargo, el termino lento es relativo.
2) Construir la cámara de reacción del espumador tan larga como sea posible para maximizar el tiempo en que están en contacto el agua con el aire dentro del espumador. Bombear tanto aire en la cámara de reacción como sea posible. La clave para la inyección del aire depende de dos cosas: a) mantener las burbujas lo más pequeñas posibles, b) reducir la turbulencia potencial de las burbujas dentro de la cámara de reacción.
3) El diámetro del espumador deberá incrementarse en proporción a la cantidad de agua que se espumará. A mayor cantidad de agua para espumar, mayor el diámetro del espumador.

Recuerda que estos son principios teóricos y algunas veces las teorías son sólo eso, teorías. La realidad puede ser diferente. Un ejemplo, asumamos que quieres construir el mejor espumador para un tanque de arrecife de 100 galones. Utilizando las leyes del espumado que mencionamos, el espumador deberá ser de entre 5 y 6 pies de alto, con una cámara de reacción de 8 pulgadas de diámetro y con un flujo de agua de 2 veces el tamaño del tanque al día, debería tener una espuma muy densa formada por burbujas de 0.2 a 0.5 mm, inyectadas en el modo contra-corriente. Entonces aunque este parecer ser el mejor espumador, en mi opinión es impráctico para muchos aficionados. Aquí es donde podemos hacer a un lado la teoría tal como está escrita y tomar algunos ejemplos del mundo real.

¿Se puede logra un buen espumado utilizando espumadores pequeños y delgados o espumadores con altos flujos de agua?, Si. ¿Serán tan eficientes como el espumador teórico descrito arriba?, Tal vez no, pero si será suficiente para los requerimientos de la mayoría de los aficionados. Los fabricantes de espumadores usan largas cámaras de reacción y aunque no cumplen a carta cabal las "leyes del espumado" sus espumadores son eficientes. Para eliminar la necesidad de largas cámaras de reacción los fabricantes han encontrado soluciones ingeniosas para aumentar el tiempo de reacción: el uso de un flujo de triple pasada y tubos de inyección de aire invertidos de igual longitud que la cámara de reacción equivale a duplicar o triplicar la longitud de la cámara de reacción. Los patrones del remolino de agua también incrementan los tiempos de reacción. Para maximizar la densidad de burbujas los fabricantes han incorporado en sus diseños cabezas de inyección de aire en forma de spray, válvulas venturi y otras cabezas generadoras de espuma (como la válvula Beckett).La introducción de cabezas generadoras de espuma elimina la necesidad de piedras aereadoras y bombas de aire, muchas de estas cabezas producen una cantidad de aire mucho mayor que cualquier combinación de piedra / bomba.

Cita: "Si lees a Escobal, descubrirás que el tiempo de permanencia, el diámetro y el volumen de aire influyen en la operación del espumador. Nada en este libro explica como funciona el Hot-1, pero a los usuarios les gusta." CWA46, Nashville, TN.

Examinemos unos cuantos de los espumadores disponibles en el mercado y como son optimizados para espumar eficientemente.


Espumadores de contra-corriente (CC) por aire
Los espumadores por aire son los primeros que se diseñaron para los acuarios caseros y afortunadamente son de los más eficientes. Pero también son los que requieren mantenimiento constante y pueden ser costosos. Estos espumadores usan aereadores de madera y una poderosa bomba de aire para producir sus burbujas. Tienen un excelente volumen y consistencia de espuma cuando operan con aereadores nuevos (no tapados). Según Theil [4], la altura mínima recomendada para un espumador CC por aire es 28" y debe tener de 2 a 3 piedras aereadoras por cada 4" de ancho. De esta forma un espumador de 6" de diámetro deberá tener entre 4 y 6 piedras. Dependiendo de la carga orgánica del tanque los aereadores deberán ser remplazados cada uno o dos meses y hay que revisar constantemente el diafragma de la bomba y reemplazarlo cuando se debilite. El razonamiento de Theil para la altura de un espumador CC se basa en que el agua y las burbujas deben interactuar durante un periodo de tiempo y distancia determinados y los espumadores de menos de 45 cm no cumplen con esta característica. Los veteranos del hobby consideran que este tipo de espumador produce la espuma con más consistencia y calidad. Este tipo de espumador cumple cabalmente con nuestras "leyes del espumado" y cuando se ajusta adecuadamente parece ser el que da los mejores resultados. Este modelo es muy socorrido por los "hágalo usted mismo" por ser fácil de construir y requerir de pocas habilidades de construcción.

Espumador Venturi
Los espumadores venturi utilizan un inyector venturi para crear las burbujas de aire. Estos espumadores tienden a ser mas cortos que los tipo CC y requieren una poderosa bomba para alimentar al inyector venturi. Para obtener una explicación de cómo funciona el inyector Venturi ver el recuadro en este artículo [5]. Una de las razones por las que comúnmente se utilizan los espumadores venturi en los acuarios caseros es por que los inyectores venturi producen grandes cantidades de burbujas. Uno de los inyectores venturi más comunes es el inyector Mazzei®(imagen a la derecha). Cuando se unen a una bomba de alto rendimiento, estos inyectores producen grandes cantidades de finas burbujas. La calidad de la burbuja tiende a ser muy buena, y la mezcla aereada se inyecta en la cámara de reacción con un patrón espiral para maximizar el tiempo de contacto. Un Inyector Mazzei® de una pulgada puede generar 240 pies cúbicos por hora de aire. El Lifereef VS2es un ejemplo de los espumadores que utilizan este inyector. Otro tipo de espumador venturi es el de cabeza Beckett. La Cabeza generadora de espuma Beckett esta diseñada para incrementar la cantidad de aire que se mezcla con el agua. Los espumadores que utilizan esta cabeza normalmente la tienen colocada por encima del nivel de agua y la distancia extra que se genera con esto incrementa el tiempo de reacción. Adicionalmente los fabricantes han empezado a inyectar el agua aereada en forma tangencial a patrones de movimiento espirales lo que también incrementa el tiempo de contacto. Lo más obvio cuando se utiliza una cabeza Beckett es la densidad y consistencia de la espuma; excede a cualquier otra estrategia actual de aereación. El espumador Precision Marine BulletXL es un ejemplo de los que utilizan esta tecnología (imagen a la Izquierda).

Espumadores Downdraft™ (bajada a presión)
El espumador downdraft™ se diseña de manera diferente al resto de los espumadores; utiliza una corriente de agua que es rociada a alta velocidad en una columna que contiene bio-bolas. El material de esta columna rompe el flujo y forma burbujas. Después que las burbujas pasan a través de la "columna de bio-bolas" entran a una cámara colectora donde son desviadas hacia arriba, hacia el cuello y el colector de espuma del espumador.

En este tipo de espumador la longitud de la trayectoria del agua a través de la columna de bio-bolas, la cámara colectora y el cuello del espumador incrementa de forma efectiva el tiempo de reacción. Adicionalmente la ruptura de la corriente de agua resulta en una gran cantidad de burbujas y espuma. Estos espumadores requieren bombas muy poderosas para funcionar correctamente y tienden a ser de gran tamaño. Un espumador que utiliza este diseño es el ETSS® Gemini 800.

Espumadores de propela de aspiración (Pulverización de aire)
Este estilo de espumador ofrece una variación única de un sistema barato de aereación. Esencialmente, si dirigimos aire a la cámara de la propela de una cabeza de poder o bomba pequeña se crean burbujas. La propela típica (fig. #7b), La propela especializada de agujas (fig. #7c) y la rueda de agujas (fig. #7d) toman estas burbujas y las rompen en tamaños muy pequeños como las que se encuentran en los espumadores de piedra aereadora. Estas unidades son únicas por que tienen un flujo de agua muy lento y son baratas de operar por que utilizan bombas muy pequeñas. Una preocupación que empieza a surgir con estos espumadores es la durabilidad de estas propelas especializadas. Como estas propelas de agujas colocan la carga en la parte exterior de la rueda (y no al centro donde esta el eje), tienen índices de falla mayores que las propelas normales. Dos espumadores que utilizan propelas especiales de agujas son el Turboflotor 1000 y el Euro-Reef. Un espumador que utiliza una propela normal con la función de pulverización es el Klaes de origen Alemán. Su descripción se encuentra aquí.


(Figura #7b)
Propela regular

(Figura #7c)
Rueda de agujas especializada (Figura #7d)
Rueda de picos


Resumen de los espumadores más comunes:

Espumadores de contra-corriente (CC) por aire: low water flow, good foam production (with new air stones), good bubble size, maximum contact times (with taller units), frequent maintenance and requires frequent water height adjustments (called tuning).

Venturi: buen flujo de agua, buena producción de espuma, requiere una bomba potente, la válvula venturi tiende a taparse (Lifereef tiene una válvula venturi con auto-limpieza).

Espumador de cabeza Beckett: Gran flujo de agua, máxima producción de espuma, tiempo de contacto moderado (se puede incrementar con patrones de espiral), requiere bombas muy potentes, la cabeza Beckett requiere ser limpiada.

Downdraft™: buen flujo de agua, excelente producción de burbujas, excelente tiempo de contacto. Tienden a ser altos y estorbosos (El ETSS 1000 es más alto que 1.5 m), requiere bombas potentes para producir las burbujas.

Espumadores de aspiración: Bajo a moderado flujo de agua, buena producción de espuma, buen tamaño de burbuja, excelente tiempo de contacto, requiere propela especializada o rueda de agujas, La rueda de agujas ha demostrado ser su punto débil.

Algunas palabras sobre el mantenimiento de espumadores: para asegurar un desnatado máximo, hay que limpiarlos periódicamente. Vaciar con frecuencia la copa de recolección y limpiar la materia orgánica alojada en el cuerpo y cuello del espumador. Este lodo orgánico es lo que el espumador remueve del agua y por ningún motivo debe permitirse que caiga de nuevo al tanque. Limpia las válvulas de aire con frecuencia y remueve las incrustaciones de sal o partículas que obstruyan las entradas de aire, también debes estar pendiente de pequeñas conchas y fragmentos de roca que pueden ser atrapados en la válvula venturi y en las entradas de la cabeza de poder o bomba, estos deben ser removidos para que el espumador trabaje con eficiencia. Si se usan aereadores y bombas de aire, reemplaza los aereadores cada uno o dos meses y revisa el diafragma de la bomba para asegurarte que se está produciendo la cantidad de aire máxima posible. Los espumadores requieren una presión grande y constante por parte del diafragma de la bomba de aire para funcionar correctamente. Si el espumador requiere una bomba de agua para generar burbujas, asegúrate que la bomba que activa el venturi o cualquier otro dispositivo de inyección de aire trabaja eficientemente, bombas débiles causan que los espumadores trabajen pobremente.

En resumen
Los espumadores proteínicos pueden ser una efectiva forma de reducir los problemas relacionados con la acumulación de desechos en nuestros tanques. La aplicación de los espumadores ha sido asociada con la reducción de los desechos (reducción de CODs), la reducción del crecimiento de alga e incremento en la calidad del agua. Muchos de los espumadores disponibles en el mercado son demasiado pequeños (en diámetro y altura) y/o con poco poder para remover efectivamente suficientes desechos orgánicos. Como regla general los espumadores altos funcionan mejor que los pequeños. El aficionado necesita asegurar que la producción de burbujas sea maximizada (burbujas pequeñas trabajan mejor que grandes), y como consecuencia el agua en la cámara de reacción deberá parecer blanca y lechosa. La espuma producida en el espumador debe moverse continuamente hacia arriba para que pueda ser colectada y removida del sistema. Un comentario final sobre la consistencia del producto obtenido en el espumador: este tema es siempre sujeto de debate (Ej. espeso, color de lodo y seco contra húmedo con color de té helado (imagen arriba izquierda)) ya hablare sobre esto en un próximo artículo. Pero dejo ahora este tema diciendo: tu quieres colectar producto de desecho (cualquiera), y cualquiera es mejor que ninguno.
Publicado por blur0078 @ 19:56
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