蛋分鉴定评估方法（下）

往期回顾：

7、实验设计

图表5中所示的实验设备是采用一个40加仑的容器作为底缸，图表7中所示的各种知名品牌蛋白分离器置于底缸上，回水口距水面3-5英寸，进行实验比对。蛋白分离器使用的上水泵都是制造商推荐的配置。水泵设置在底缸底部，使用软连接与蛋白分离器相连。底缸内安装了加热设备，使底缸温度保持在华氏77度，同时安装了两个泵头帮助底缸进行水体循环。在实验过程中，三个泵头产生的能量足以保持水温，因此，加热设备很少开启。底缸内的温度始终在华氏75-79之间浮动。为确保测试准确，测试前使用蒸馏水运行24小时，而后使用蒸馏水配置海水循环。这个清洗过程在测试前至少进行5次，确保水中在添加有机物质前无杂志。模型蛋白BSA (1.33毫克，纯度96%，Sigma 化学公司生产) 被溶于35加仑预先配置好的海水中，以备实验使用。我们进行了比对实验，一组使用BSA模型蛋白实验，另一组使用真实水族箱内的海水实验，所有品牌的蛋白分离器都要单独分析。蛋白分离器检验。如图7所示，这些蛋白分离器型号是根据制造商推荐的型号安装的。反应仓内的体积已经在图中标明了。每个蛋分都设置了制造商推荐的液面高度和上水泵。Euroreef CS80 使用自带的Sedra 上水泵, 其它使用 Mag 9 上水泵.。Precision Marine 和 ETSS 蛋白分离器水流速度由Mag 9上的输出旋钮，按说明书调节，使水面保持在一定高度。 Euroreef CS80 液面高度由出水口控制。所有的水流速度都由单位时间内回流水量测试。

图表7测试图这些蛋白分离器是根据底缸尺寸选择的，但并不表示完全适合与这个底缸尺寸。因此，这四个设备的重要参数有所不同，尤其是反应仓和气泡产生方式。正如之前所讨论的，数学模型中讨论的反映仓体积应为实际充满气泡的液体体积Vs。另外，不同的指导液面高度会导致不同的水流量。这个数值必须作为变量参与公式计算，并作为最终讨论蛋白分离器表现的依据。最终，我们不会去推断其它任何未参与实验产品的效率，尽管有可能是同一厂商生产的。

8、实验结果

我们的解决方案是要得出一个评价蛋白分离器工作效率的科学方法。实验中所使用的模型蛋白只是实验工具之一。在试验中，BSA作为模型蛋白有很多优势，除了之前列出的优点之外，它还是市面上能够买到的最便宜，纯度最高的蛋白。BSA溶解在海水中在蛋白分离过程中非常稳定，而且在在约等于1ppm浓度时还能很容易的检测到。使用蛋白含量检测试剂包能轻松检测到，免去了很多不必要的化学分析费用。因此，我们将BSA溶解于新鲜配置的人工海水中。关于这个系统能否真实的反映海水水族箱内的状况会有详细说明。使用图表5中的设置，和之前推算的公式。确定两个公制参数，撇出量和蛋白撇出率。实验数据来自知名厂商生产的蛋白分离器实测见图表8。使用第20号公式计算得出结果见图表9。事实上在实验期间，大多数模型蛋白都从系统中撇出了。实验数据与理论数据吻合。因此都说明BSA作为实验用模型蛋白是非常合适的。我们发现水流经过蛋白分离器一次，并不能去除很多的蛋白质。数据在图表8中有显示。在实验数据是174加仑每小时的流速时，反应器内的水每12秒就更换一次。检视图表8，显示只有不到1%的蛋白在该轮循环中被去除。因此每次通过蛋白分离器仅有少量蛋白被撇出的假设是正确的。

图表8 EUROREEF CS80工作时蛋白损耗图图表9反映的是另一个模型。撇出率（K值）越大，蛋白撇出速率越高。当然，各个蛋白分离器水流速度是不同的，最后我们还要看K（撇出率）和Q（水流量）之间的复杂关系。

图表9 数学Figure 9. EUROREEF CS80工作时的数学模型。 K系数分析和BSA去除百分比可以应用到其他蛋白分离器测试中。表格1中水流速率已给出。四种参与实验的蛋白分离器数据比较。由于反应仓体积不同，k系数也不同，决定于气泡产生方式、水流速率。水流速率的影响在下表中很难看出。尽管如此，但我们仍能看出在推荐配置下运行的四个蛋分，k系数即撇出率没有太大的不同。 在这个实例中我们应该看到，“气泡就是气泡”。在相同条件下，气泡的产生方式并不影响有机物质的撇出效率。 表格1a.四种主要品牌蛋白分离器撇出蛋白数据

表格1b.四种主要品牌蛋白分离器撇出蛋白数据

表格1详细的记录了% BSA removal 即蛋白撇出百分率和蛋白撇出速率（K min-1）。4个蛋分在几组数据中没有太多的变化。 Precision Marine ES100, Precision Marine AP624, 和ETSS evolution 500 的蛋白撇出率都在80%左右。Euroreef CS80 的蛋白撇出率要低于其他3个实验蛋分。多组数据的测量是为了避免试验中产生大的误差。BSA具有优良的气泡吸附特性，因此是最佳备选溶质，这也是前人实践出结论。气体通入速率和水体流动速率两个参数，吸引的是研究如何提纯蛋白者的眼球。这两个参数在水族蛋分中也是可调节的，似乎也有研究其与蛋白分离器效率的关系。许多最近的研究表明针叶气泡泵能够产生更清晰的气泡。但无论是 Euroreef CS80, 还是 Precision Marine ES100 或是ETSS evolution 500 蛋分，都没有能够提供不同泵之间的比对，因此，我们不能针对产生气泡的原理进行比较。幸运的是，气石为基础的Precision Marine AP624有一个独立于水流速度的产气原理，因此，我们可以通过它来研究气体通量与蛋白分离器表现之间的关系。我们没有气表来测量，只能通过调节施加于气石上的气体压力来改变气体通量。我们的假设是压力越大，气体通过通量越大，但具体比例系数不详。在任何情况下，气体压力为3时，蛋白撇出速率为k = 0.97 ± 0.26 (from Table 1)，增加压力到6，撇出率 k = 3.1 ± 0.2 min-1.。因此，两倍的气体通量可以得到3倍的蛋白撇出率提高。（AP624 skimmer 水流速度 156/157 ). 蛋白分离器最后的可调参数是水流速度，正如刚才所讨论的，公式20中并没有指出水流速度会影响蛋白撇出率。因此只能通过实验来确定他们之间的关系。一般来说，通过调节泵口处的球阀和蛋白分离器出口的调节开关能够满足制造商所建议的液面高度。我们要保持页面高度在其限制的范围内。另外 Euroreef CS80 和 Precision Marine ES100 两种蛋白分离器可能在调节水流时影响气泡的效果。实际上Precision Marine ES100 能够支持这个实验。反映仓在223加仑每小时的流量时仍然能够充满气泡。但流量降低到180加仑每小时时明显减低的气泡的密度，降低到144加仑每小时时几乎没有了气泡。这增加了观测K与Q之间关系的难度。理论上说，我们能够调剂水流以使蛋白分离器正常工作。让这样的调整会超出制造商给我们的建议设置，气泡流受到影响。因此，我们只能相信制造商提供的流速和泵头的配置是最佳配置，并能形成最好的气泡流。在此情况下，我们记录了不同水流速度时Precision Marine AP624 的表现，因为它的水流和气泡是两个系统。结果在表格2中很明显。撇出率在水流增加的时候确实增加了，但极限数据有些异常。开始一倍的增长能获得两倍的撇出率，而增长到3.4倍时，撇出率却低于初始值。因此，我们更不能判断其他三个蛋分的极限工作数据。当我们对照回表格1，使我们有理由相信制造商们的水流数据，而且也更坚定了我们在其推荐的条件下比较4种不同品牌的产品的方法。表格2.流速与撇出率关系。

使用真实水族箱海水实验尽管BSA是经过验证最好的模型蛋白，但我们仍不能十分确定在水族箱海水环境中，蛋白分离器所面对的有机物质能够也和BSA一样的效果。

图表10.严格按照水族箱标准水样实验。在使用喂食后一小时的水族箱内水体进行实验室，实验数据与BSA实验蛋白数据有所差异。图表11中紫色标注的就是差异点。按照公式所计算，各点应该在同一曲线上，那么是什么出了问题？另一个十分相近的实验显示在0-50分钟时数据都能基本吻合理论计算。因为在50分钟内，蛋分已经去除了绝大多数能够去除的有机物质，而在之后的时间内效果已经不明显了，因此也就不再满足理论模型了。实验数据表明，Euroreef CS80 去除BSA的效率是真实水族海水TOC的3.3倍。

图表11.撇出TOC与理论曲线比较。

图表12. 1-120分钟内实际数据与理论曲线的比较。下面是使用4种上述蛋分针对真实海水TOC的测试。表格3.a

表格4.b

总体结果包括撇出率都没有本质的变化，再次说明模型蛋白实验的可用性。为了确保实验数据的准确，我们仍然进行了大范围的实验，数据稳定可靠。所有的蛋分都只撇出了20——30%的真实水族箱内海水TOC，70-80%可测量到的TOC还留在海水中。回顾图表1，可能只有20-30%的TOC水族箱水体中具有被气泡吸附的特性。，而剩余的 70-80%无论什么原因，剩余的toc化学结构成分还需继续分析。

9、结论

蛋白分离器已经成为饲养硬骨珊瑚不可缺少的设备。这个设备已成为除鱼缸本身外最昂贵的设备，截止目前，市面上已经有至少23种不同品牌的蛋白分离器。所有的制造商都宣称他们的设备效率有多高，但没有一个制造商能够拿出具体的数据来说明，因为在这方面没有统一的标准。本文介绍了两种指标来衡量其效率，(1) 撇出TOC的速率 (2) 撇出TOC总量。我们通过实验建立了数学模型，并在BSA模型蛋白中验证数学模型。同时用真实水族海水TOC进行验证实验。结果证明BSA可以代替TOC作为实验模型，数据偏差不大。四个不同品牌的受测蛋分，有不同的反映仓容量，不同的气泡发生机制，在制造商推荐的测试状态下。测试结果证明These Euroreef CS80 、 Precision Marine ES100 、Precision Marine AP624 和ETSS evolution 500撇出TOC 和BSA 效果区别并不大。因此，至少在实验条件范围内，制造商所宣称的高级产品功效没什么不同。不过其他产品的性能还有待测试。两个重要指标进行了测试，分别是气体通入速率和水流速度。其中一个蛋分(Precision Marine AP624)，在气体通量改变时，BSA撇出率明显提高了。水流速率改变并没有稳定的规律。使用Precision Marine AP624气石蛋分，当水流速度增加到一定值时，K反而下降。四个品牌的蛋白分离器在图表2所显示的蛋白撇出总量上尤为相似。在BSA测试中更是能撇出80%的高效。 而大家更感兴趣的可能是他们都只能撇出20-30%的真实水族箱水体TOC。 许多问题还有待解决，有哪些蛋分能挑战30%的TOC撇出率呢？在水流速度和气体通量外还有哪些可以直接影响撇出率的因素？还有什么没有认识到的衡量标准决定着蛋白分离器的表现？这些只能在更大范围内检验更多的蛋白分离器来确定。作为展望，我们希望蛋分设计者能够充分考虑BSA实验中的理论，理性的改进参数，在他们的广告中，让所谓的“最好”和“最快”有真实的意义。

10、致谢

我们感谢美国宾夕法尼亚州立大学化学系给予的财力支持，以及Dr. Bruce Logan 和 Mr. David Jones 提供的TOC分析，和 Dr. James Vrentas 帮助建立的数学模型。

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