HomeOnderwerpenChemieVerder onderzoek naar de werking van eiwitafschuimers

Verder onderzoek naar de werking van eiwitafschuimers

Vertaling Rien van Zwienen

In het januarinummer van Advanced Aquarist (2009) hebben we een artikel gepubliceerd over de werking van eiwitafschuimers dat, voor het eerst, een gedetailleerde experimentele methode beschreef om zowel de snelheid en hoeveelheid te meten waarmee eiwitafschuimers organische stoffen verwijderen uit aquarium water (Feldman, 2009). De belangrijkste punten van dit eerdere onderzoek zijn:

  • Geteste afschuimers zijn: EuroReef CS80 naaldwielafschuimer, een Precision Marine ES100 venturi-eiwitafschuimer, een Pecision Marine AP624 luchtsteen-afschuimer, en een ETSS Evolution 500 tegenstroomafschuimer.
  • Men heeft de verwijdering gemeten van een modelstof (Bovine Serum Albumin, een model eiwit) in kunstmatig zeewater en de verwijdering van “Totaal organisch koolstof (TOC)” in aquariumwater en het percentage van de beschikbare totale hoeveelheid organisch materiaal (BSA of TOC) die verwijderd werd voordat de afschuimer zijn evenwicht bereikte.
  • Conclusies gebaseerd op deze metingen zijn:
    • Alle vier de afschuimers verwijderden zowel BSA als TOC met dezelfde snelheid, met andere woorden: belletjes zijn belletjes en er was niet veel verschil tussen deze vier afschuimers in de intrinsieke mogelijkheden om organisch materiaal uit zeewater te verwijderen.
    • Slechts 20-30% van de meetbare TOC in aquarium water werd verwijderd door afschuimen, terwijl bijna alle BSA uit zoutwater werd verwijderd.

In het afgelopen jaar hebben we het onderzoek voortgezet en uitgebreid. In dit artikel zullen we de resultaten van die studie bespreken. In het bijzonder hebben we:

  • Het rekenkundig model aangepast zodat we rekening houden met het significante deel van de TOC die niet afgeschuimd wordt. We hebben dit model toegepast op zowel de data van de oude afschuimers als op die van de nieuwe afschuimers.
  • We hebben de werking van drie nieuwe afschuimers onderzocht, die allen zeefplaten hebben: de Bubble King Mini 160 naaldwielafschuimer, de Royal Exclusief 170 conische naaldwielafschuimer en de Reef Octopus 150 recyclende penwielafschuimer.

Het aangepaste rekenkundig model en de daarbij behorende berekeningen zijn te specialistisch om hier in dit artikel te vertalen en te behandelen.

Experimentele aanpak

We hebben eerst onderzocht hoe de TOC niveaus in zeeaquaria varieerden alvorens met het onderzoek te beginnen. Deze verkennende experimenten om TOC-waarden in aquaria te meten werden gedaan door 20-30 ml monsters uit het aquarium te halen. De gevulde flesjes werden onmiddellijk ingevroren tot -23 oC en later snel ontdooid door ze in een waterbad te zetten alvorens ze te analyseren met een Shimadzu 5000 TOC-analyser.

De echte afschuimerproeven werden uitgevoerd zoals beschreven in een eerder Advanced Aquarist artikel. Alle afschuimers werden van te voren schoongemaakt door er 3x24 uur gedestilleerd water door te laten lopen gevolgd door 2x24 uur vers bereid zeewater. In de echte experimenten werd 45-60 minuten nadat er met Reef Nutrition producten (Rotifeast,Phytofeast,Oysterfeast, en arctipods), mysis, stukjes mossel en wat vlokken voer gevoerd was, 100 liter water uit het aquarium gehaald. De afschuimer van het aquarium en het koolfilter werden tijdens de voerperiode uitgezet. Op het moment van monstername was er van voedselsporen niets te zien. De 100 liter zeewater werd in een plastic kuip gedaan, waar twee Maxijet 1200 powerheads voor de circulatie zorgen en een verwarmingselement voor de temperatuur van 25oC. De eiwitafschuimer, die na ieder experiment zeer goed werd schoongemaakt, werd op de juiste hoogte in het water gezet (volgens fabriekspecificatie), waarna de pomp zo spoedig mogelijk werd aangezet. Eventuele kranen werden zo afgesteld dat het water-schuimniveau op de aanbevolen fabriekswaarde was. Na 0,10,20,30,40,50,60,90 en 120 minuten werd er ongeveer 20-30 ml monster genomen; ieder monster werd zo snel mogelijk in vriezer (-23oC) geplaatst.

Resultaten

Voordat we specifieke afschuimers onderzochten hebben we twee experimenten gedaan om de vraag te beantwoorden: Is een eiwitafschuimer nodig om in een aquarium lage TOC-waarden houden,. Het antwoord op deze vraag is volgens de fabrikanten “Ja!”, maar er zijn andere aquariumtechnieken (bv. algenfiltratie), waarbij de gebruikers ook successen claimen, dus rijst de vraag of eiwitafschuimers echt nodig zijn. Natuurlijk heeft afschuimen andere belangrijke voordelen zoals beluchten en gasuitwisseling in het algemeen, maar de claim van TOC-verwijdering willen we hier vooral testen. Het eerste experiment was nogal eenvoudig: we stopten de afschuimer en het koolfilter en voeden het aquarium zoals beschreven in het experimentele gedeelte. We namen over een periode van 24 uur watermonsters en onderzochten die op TOC-gehalte. Het resultaat van zo’n experiment is te zien in fig.2a.

Dit experiment werd driemaal op achtereenvolgende dagen herhaald en de data werden voor het vergelijkgemak genormaliseerd naar % TOC.(fig. 2b).

Deze data kunnen als een exponentiele afnamecurve geplot worden die dan weer gebruikt kan worden om een snelheidsconstante ‘k’ voor de TOC-afname uit te rekenen. De betekenis van deze constante is de intrinsieke mogelijkheid van “iets” in het aquarium om TOC om te zetten en zodoende uit het water te verwijderen. In de komende afschuimer experimenten is dat “iets” de luchtbelletjes, maar in het huidige experiment is er geen werkende afschuimer of koolfilter, dus wat ook de TOC verwijdert, moet te wijten zijn aan de biologische afbraak in het aquarium. Wat is er verantwoordelijk voor deze afname van de TOC? De meest waarschijnlijke kandidaten zijn volgens de literatuur (Kirchman, 1990; Zweifel, 1993; Covert, 2001; Wild, 2004; de Goeij, 2007; Allers, 2008; Sharon, 2008) microben, vooral bacteriën, die ieder gaatje in het aquarium bevolken. Het ziet er dus naar uit dat dit zo te zien gezonde aquarium voldoende TOC verterende organismes bevat om zonder gebruik van een afschuimer het TOC niveau op een enigszins acceptabel laag evenwichtsniveau te houden.

Als we nu het bovenstaande experiment herhalen, maar nu met gebruik van een H&S 200-1260 recirculerende naaldwiel afschuimer die gedurende de 24 urige testperiode draait, wat kunnen we dan verwachten? Als de afschuimer ook behoorlijk bijdraagt aan het verwijderen van TOC uit het aquarium, kunnen we verwachten dat de daling van het TOC niveau over de tijd stijl zal zijn, in ieder geval sneller dan dat we gezien hebben bij de experimenten zonder afschuimer.

Deze snelheidstoename van de TOC verwijdering wordt uitgedrukt in de “k” term; een grotere k-waarde zou duiden op een snellere verwijdering van TOC uit het aquarium water. Het resultaat, wederom in triplo, is te zien in fig.3.

Het is duidelijk dat de overeenkomst in k-waarde voor de experimenten met en zonder afschuimer er niet op duiden dat de afschuimer in welk opzicht dan ook, bijdraagt aan het verwijderen van TOC uit het aquarium water. Dit betekent dat de natuurlijke TOC-verbruikers (bacteriën en andere organismen) volledig in staat zijn om, in 24 uur, het TOC-niveau te laten dalen tot de waardes voor het voeren, de afschuimer is helemaal niet nodig voor dit proces. Deze waarnemingen bevestigen daarom niet het algemene begrip dat een afschuimer absoluut nodig is om TOC-waarden te verlagen en laag te houden.

Echter, deze getallen vertellen misschien niet het hele verhaal. Als het probleem de geleidelijke opbouw van TOC in de tijd is, dan is een meetperiode van 24 uur niet voldoende om dit soort van mogelijke langetermijntrends aan te tonen. Dus deden we een tweede experiment met de bedoeling te kijken naar geleidelijke toename van TOC, gedurende een 30-dagenperiode. In dit geval werden twee verschillende testen gedaan, ieder met een verschillende afschuimer, die tezamen met een koolfilter continu werkte gedurende die 30 dagen. Wat zouden we kunnen verwachten? Als de natuurlijk voorkomende TOC-opruimers zoals bacteriën het meest opruimen, maar niet alles wat met het voeren aan TOC in het aquarium komt (het is onmogelijk dit te zien in deze 24-uursperiode van de bovengenoemde experimenten), dan is er misschien een “restant” dat of opbouwt met de tijd, of misschien met afschuimen wordt verwijderd. Deze experimenten werden niet gedaan met het aquarium van de auteur zoals met de rest van de experimenten beschreven in dit artikel, maar met Sanjay Joshi’s 2000 liter aquarium. De twee geteste afschuimers in deze test waren allebei eigenbouw; een is een gemodificeerde ETSS type tegenstroom met een Beckettkop, en de ander is een verbeterde kopie van een Bubble King afschuimer compleet met Red Dragon pomp, zeefplaat, enz. (zie fig. 4). Het experiment begon in beide gevallen na een grote waterwissel, daarna werd er geen water gewisseld, noch werd er veranderingen aan de levende have aangebracht. De afschuimer werkte continu met wekelijkse schoonmaakbeurten en het koolfilter liep continu gedurende deze maand zonder enige bijvulling. 12 Uur na het voeren werd er iedere dag een watermonster genomen. De data zijn in fig. 4a te zien.

Er kunnen twee belangrijke conclusies getrokken worden als we de data bekijken. Allereerst, het TOC-niveau neemt met de tijd toe. Dus, noch microbiologische werking noch afschuimen verwijdert alle ophopende TOC. Ten tweede, de minder luxe tegenstroomafschuimer lijkt beter in staat het TOC-niveau laag te houden gedurende een maand tijd dan de Bubble King kopie. In meer kwantitatieve termen, de totale TOC-waarden nemen gemiddeld voor beide afschuimers toe van 0.53 ppm C (koolstof) aan het begin tot ongeveer 0.95 ppm C na 30 dagen; een toename van 79%! Als Sanjay na 7, 14, 21en 28 dagen waterverversingen van 10% zou hebben gedaan gedurende dit experiment, zou het TOC-niveau tot slechts 0.66 ppm opgelopen zijn – een toename van 25%. Dus, dit experiment laat het belang van regelmatige waterverversing zien als middel om de organische voedingstoffen onder controle te houden.

Eiwitafschuimer vergelijking onderzoek

Ons oorspronkelijke onderzoek zoals in Advanced Aquarist 2009/1 beschreven ging over twee experimentele systemen; BSA (Bovine Serum Albumin) in vers aangemaakt zeewater en TOC in echt aquariumwater. Als vervolg op dit onderzoek, zijn we een project gestart dat tot doel heeft elementaire en in veel gevallen chemische informatie te leveren over de samenstelling van de “skimmate”, het goedje wat uit de afschuimer komt, wat behandeld wordt in een volgend artikel in Advanced Aquarist. Een heel duidelijke conclusie uit dit onderzoek is dat het skimmate weinig tot geen proteïne bevat en dat het gebruik van een proteïne (BSA) om het werken van een eiwitafschuimer te onderzoeken geen goede modelstof is. Vandaar dat voor de testen van de drie nieuwe afschuimers alleen de TOC-verlaging in echt aquariumwater is onderzocht; het BSA onderzoek is vervallen. Er is nu alleen naar de volgende parameters gekeken:

  1. De snelheidsconstante ”k”, voor de snelheid waarmee het TOC werd verwijderd
  2. De hoeveelheid TOC die t.o.v. totale hoeveelheid TOC wordt verwijderd
  3. Het percentage van de begin hoeveelheid TOC die de afschuimer verwijderd.

Foto’s van de zeven onderzochte afschuimers in dit en eerder onderzoek staan in fig.5. De bak waar ze in stonden was altijd 120 liter.

Deze datasets laten zien hoe de gemeten TOC-waarden in de 120-literbak zakken gedurende het twee uur durende experiment. Het is erg belangrijk door middel van een controle-experiment te laten zien dat de daling van de TOC-waarde te wijten is aan de werking van afschuimer en niet bv. door of absorptie aan het plastic van de bak/pomp/afschuimer of consumptie door bacteriën. De zwarte lijn in fig. 6 is deze controlemeting; het reservoir was gevuld met water, maar de afschuimer stond niet aan. De monsters werden iedere twee uur genomen en onderzocht op TOC gehalte. De data laten zien dat in ieder geval gedurende de tijdsduur van het experiment, de TOC-niveaus constant blijven- er is geen daling die te wijten kan zijn aan niet-afschuimergerelateerde gebeurtenissen. Visuele inspectie van de EuroReef en de Bubble King leiden tot dezelfde conclusie. Bij de EuroReef lijken de TOC-waarden een beetje sneller te zakken dan bij de Bubble King, maar de Bubble King lijkt de TOC waarde naar een lager niveau te krijgen dan de EuroReef.

In tabel 1 (pag 27) staan de experimentele data van de drie bovengenoemde te meten waarden. Opmerkelijk is dat de Red Dragon Bubble King 1000 pomp van de Royal Exclusief 170 het water twee keer zo snel door het huis van de afschuimer pompt dan de kleinere Red Dragon mini Bubble King 600 pomp in de Bubble King mini 160.

De analyse van de data in tabel 1 begint met een waarschuwing; voor sommige afschuimers is de spreiding bij de k-waarden nogal groot, soms 50% van de gemiddelde waarde. Het lijkt daarom moeilijk erg veel waarde te hechten aan deze waarden. Het is echter mogelijk met bepaalde statistische technieken toch tot een duidelijk antwoord te komen op de vraag: is de snelheidsconstante van afschuimer A beduidend anders dan die van afschuimer B.

Uit deze analyse blijkt dat:

  • de k-waarde voor de Reef Octopus 150 afschuimer anders (kleiner is) is dan die van alle andere afschuimers, en
  • de k-waarde voor de Precision Marine ES100 afschuimer anders (groter) is dan die van de BubbleKing en de Royal Exclusive.

Tabel 1. Experimentele waarden gemeten voor de zeven geteste eiwitafschuimers.

Aan de andere kant zijn er geen duidelijke verschillen tussen de snelheidsconstante k van de EuroReef CS80, de Precision Marine ES100, de Precision Marine AP 624 en de ETSS Evolution 500 afschuimers. De snelheidsconstante k van de Bubble King en de Royal Exclusiv Cone zijn hetzelfde.

Omdat de snelheidsconstante k een belangrijke maat is voor de mogelijkheid van de afschuimer om TOC te verwijderen, en het houdt rekening met alle fysieke factoren die bijdragen aan dat verwijderen (zoals vorm van de afschuimer, belletjes grootte, belletjes snelheid, schuim vormende eigenschappen, water eigenschappen,etc, etc,), lijken er niet veel redenen te zijn om voor de zeven onderzochte afschuimers een voorkeur uit te spreken voor een type afschuimer ontwerp/belletjes makend mechanisme (uitgezonderd de Reef Octopus 150). Dit betekend dat het aanbrengen of weglaten van een gaatjes bodem (zeefplaat), noch een verandering in de vorm van cilindrisch tot conisch gevormd geen beslissend effect heeft op de snelheids constante voor het verwijderen van TOC. Het blijkt dat alle methoden om belletjes te maken afdoende zijn.
Natuurlijk hebben al deze afschuimers een verschillend prijskaartje en dus is het logisch ook een prijs/kwaliteit vergelijking te maken. Deze data zijn te zien in Fig. 7. De prijzen zijn de standaard verkoopprijzen die betaald werden op het tijdstip van aanschaf van deze afschuimers. Opmerkelijk is dat de goedkoopste afschuimer (de Precision Marine ES100) de grootste TOC verwijdering heeft.

In praktisch opzicht, is het belangrijk niet al te veel in detail naar deze TOC-verwijderingsnelheden te kijken. De meeste aquarianen gebruiken hun afschuimer 24/7 en bij zodanig gebruik zal het grootste effect van de verschillende TOC verwijderingssnelheden de frequentie van het schoonmaken van de beker zijn. Als de afschuimer sneller TOC verwijdert , dan zal de beker eerder gevuld zijn en vandaar ook eerder geleegd moeten worden.
Een van de meer verrassende en belangrijke waarnemingen die uit het vorige afschuimer onderzoek kwam was dat de vier originele geteste afschuimers, slechts 20-30% van het meetbare TOC in het onderzochte aquarium water verwijderden; het resterende 70-80% van het TOC werd niet verwijderd door de afschuimer. De uitbreiding van het onderzoek met drie andere afschuimers verandert niet veel. De Reef Octopus valt binnen deze range, terwijl de Bubble King en Royal Exclusiv iets meer verwijderen, misschien tot in het midden-30% gebied.

Een verklaring hiervoor staat in het januari 2009 Advanced Aquarist artikel; in het kort, eiwitafschuimers kunnen alleen verwijderen wat belletjes kunnen vangen, en belletjes kunnen alleen moleculen en/of deeltjes (bv. Bacterien, diatomeeen, etc.) die door een dwingende thermodynamische oorzaak aan het belletjes oppervlak blijven plakken.

Deeltjes die voldoende hydrofoob (water hatend) zullen in de belletjes opgenomen worden, deeltjes die niet voldoende hydrofoob zijn, zullen niet met de belletjes reageren, in het water blijven en dus niet door de eiwitafschuimer verwijderd worden.

Uit de hier beschreven experimenten blijkt dat slechts 20-35% van het meetbare TOC voldoende hydrofoob is, terwijl het resterende 65-80% dit niet is. In het kort, belletjes zijn een slecht medium om organische voedingstoffen uit het aquarium water te halen in vergelijking tot, bijvoorbeeld, actieve kool. Echter, ze hebben het belangrijke voordeel goedkoop te zijn.

Conclusies

Er zijn veel factoren die bijdragen aan de “waarde”van een afschuimer voor een aquariaan, zoals de constructie kwaliteit, geluid, schoonmaakgemak, energie verbruik van de pomp, en natuurlijk het vermogen organisch afval uit aquarium water te verwijderen. Onze data laten zien dat er geen overheersende of opmerkelijk grootte verschillen zijn in meetbare, met een afschuimer verwijderbare eenheden (TOC) zijn tussen de zeven geteste afschuimers, alhoewel de Reef Octopus 150 consistent minder presteerde vergeleken met de andere afschuimers. Echter, in breder perspectief is het ook duidelijk dat als een aquariaan een afschuimer continue (24/7) laat draaien, elk van de geteste afschuimers op het gebied van TOC verwijdering voldoende zouden werken; het enige praktische verschil zou de frequentie van het schoonmaken van de beker kunnen zijn.

Geen van de geteste afschuimers verwijderde meer dan 35% van de aanwezige TOC, wat tot de conclusie leidt dat belletjes eigenlijk geen effectief middel is om organische voedingstoffen te verwijderen. In feite, de aanwezigheid van niet afschuimbaar TOC, gekoppeld aan de waarschijnlijkheid dat in het aquarium voorkomende TOC verbruikers (bacteriën, en anderen) ook niet alle aanwezige TOC verwijderen (zie fig.4), suggereert dat vanuit een operationeel oogpunt, TOC als volgt gecategoriseerd kan worden:

  1. TOC dat een afschuimer verwijderd
  2. TOC dat een afschuimer niet verwijderd
  3. TOC dat geconsumeerd wordt door microben
  4. TOC dat niet wordt geconsumeerd door microben
  5. TOC dat (direct of indirect) schadelijk is voor de aquariuminhoud
  6. TOC dat niet schadelijk is voor de aquariuminhoud

De laatste twee categorieën moeten toegevoegd worden naar aanleiding van recent werk van Forest Rohwer (zie het januari 2009 Advanced Aquarist artikel) en zij laten werkelijk zien waarom een aquariaan zich zorgen moet maken over stijgende TOC-waarden in zijn aquarium. Natuurlijk zal er veel overlap zijn tussen deze categorieën. Uiteindelijk is de cruciale vraag hoe de levende have in het aquarium op de lange termijn gezond te houden: “Hoe veel van het schadelijke TOC wordt verwijderd door biologische verwijdering of door afschuimen.” Deze vraag blijft tot nu toe onbeantwoord.

De resultaten tot nu toe voor afschuimen als middel om aquariumwater te zuiveren laten een consistent beeld zien dat niet overeenkomt met het heersende beeld in de aquariumverzorgingswereld.

Naar aanleiding van de data in dit en een eerder artikel (Advanced Aquarist, januari 2009), lijken eiwitafschuimers een veel groter variatie in prijs te hebben dan in hun mogelijkheid TOC uit aquariumwater te verwijderen. Recente design ontwikkelingen zoals zeefplaten, conische zijkanten, of naaldwielimpellers lijken niet veel invloed te hebben op zowel de snelheid als de hoeveelheid TOC-verwijdering, ten minste niet bij de geteste afschuimers. Dus, claims van eiwitafschuimerfabrikanten over verbeterde verwijdering van organisch materiaal moeten met enige scepsis bekeken worden als er geen volledige en kwantitatieve data over TOC-verwijderen bijgeleverd worden.

Dank

We bedanken het Eberly College of Science van de Pennsylvania State University en E. I DuPont de Nemours and Co. voor hun financiële ondersteuning, Dr. Bruce Logan and Mr. David Jones van de Pennsylvania State University Department of Civil and Environmental Engineering voor het gebruik van de Shimadzu 5000 TOC Analyzer, Dr. James Vrentas of the Pennsylvania State University Department of Chemical Engineering voor de hulp bij het ontwikkelen van het mathematische model zoals beschreven in dit artikel, en Dr. Sanjay Joshi voor het gebruik van zijn aquarium en voor de vele verhelderende discussies.


Referenties

  1. Allers, E.; Niesner, C.; Wild, C.; Pernthaler, J. 2008. "Microbes Enriched in Seawater after Addition of Coral Mucus." Appl. Environ. Microbiol., 74, 3274-3278.
  2. Covert, J. S.; Moran, M. A. 2001. "Molecular Characterization of Estuarine Bacterial Communities that Use High- and Low-Molecular Weight Fractions of Dissolved Organic Carbon." Aquat. Microb. Ecol., 25, 127-139.
  3. de Goeij, J. M.; van Duyl, F. C. 2007. "Coral Cavities are Sinks of Dissolved Organic Carbon." Limnol. Oceanogr., 56, 2608-2617.
  4. Felder, R. M.; Rousseau, R. W. 2005. Elementary Principles of Chemical Processes, 3rd Ed., John Wiley and Sons, New York.
  5. Feldman, K. S.; Maers, K. M.; Vernese, L. F.; Huber, E. A.; Test, M. R. 2009. "The Development of a Method for the Quantitative Evaluation of Protein Skimmer Performance." Advanced Aquarist http://www.advancedaquarist.com/2009/1/aafeature2/
  6. Kirchman, D. L. 1990. "Limitation of Bacterial Growth by Dissolved Organic Matter in the Subartic Pacific." Mar. Ecol. Prog. Ser., 62, 47-54.
  7. Mopper, K.; Stubbins, A.; Ritchie, J. D.; Bialk, H. M.; Hatcher, P. G. "Advanced Instrumental Approaches for Characterization of Marine Dissolved Organic Matter: Extraction Techniques, Mass Spectrometry, and Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy." Chem. Rev., 107, 419-442.
  8. Sharon, G.; Rosenberg, E. 2008. "Bacterial Growth on Coral Mucus." Curr. Microbiol., 56, 481-488.
  9. 9. Wild, C.; Rasheed, M.; Werner, U.; Franke, U.; Johnstone, R.; Huettel, M. 2004. "Degradation and Mineralization of Coral Mucus in Reef Environments." Mar. Ecol. Prog. Ser., 267, 159-171.
  10. Zweifel, U. L.; Norrman, B.; Hagström, A. 1993. "Consumption of Dissolved Organic Carbon by Marine Bacteria and Demand for Inorganic Nutrients." Mar. Ecol. Prog. Ser., 101, 23-32.

Auteurs: Ken S. Feldman, Kelly M. Maer. Department of Chemistry, The Pennsylvania State University, University Park, PA 16802

Bron: http://www.advancedaquarist.com/2010/1/aafeature

Ga naar boven