使用蛋白分离器净化是保持水族箱内水质的主要策略。除水族箱本身的消费外，蛋白分离器是最昂贵的，几乎占所有设备总价值的绝大部分。由于其在水质净化中不可替代的作用和高昂的价格，蛋白分离器制造商们竭尽全力的宣传，怂恿鱼友购买。到底有多少鱼友能拒绝这样的广告:
这些广告词是有代表性的几个，而且不是孤立存在的，但留下了一些问题:
它们的效率果真如宣传所描述的那么神奇吗?
蛋白分离器制造商是如何分析测试产品的工作效率呢?
目前是否有公认的蛋白分离器工作效率评判标准?
当我们讨论蛋白分离器时，它的工作效率的准确定义又是什么?
在接下来的文章里，我们将详细讨论上述问题，介绍蛋白分离器工作效率的准确定义，该定义着重考虑海水中有机物质的撇除速率以及撇出物质的总量。 然后我们将会在模型系统上进行一个实验程序，比较四种大品牌蛋白分离器技术参数。最后，模型系统将通过精确的水质参数曲线再现蛋分工作效率。我们希望这些建议能够为蛋分设计和制造者提供有用信息，依此改良蛋白分离器性能。不过，这个尝试可能给那些宣称是“最棒”的产品一个毫不客气地测试结果。
1、什么是蛋白撇除？
使用蛋白分离器净化水质的基本原理在鱼友中已经十分普及了，这里简单说明，不做过细讨论。总体上来说，撇除原理是向容器内通入气泡，在气泡上吸附了有机物质和其它杂质后使用物理方法去除气泡。气泡注入以及气泡与海水混合直至最终分离可以有很多方法。方法上的不同最终导致了制造商所宣称的效果不同。气泡本身是关键因素，因为它们能够为有机分子提供一个空气-水的多重介质交互表面，某些有机分子可以吸附在其表面。事实上，并不是所有的有机分子都具有这样的吸附特性的，只有那些具有亲水和排水双重特性的分子才能牢牢地吸附在气泡表面。具有完全亲水特性的蛋白质分子仍然留在海水中，完全排水的蛋白质被排斥在海水外，转移到气泡内充满气体的空间中。图1是一般蛋白分离器的示意图。海水通过水泵由水族箱内抽入，在输入蛋分前注入小气泡，气泡在上升过程中吸附有机分子，蛋分内与气泡分离的海水由下面的孔流回水族箱，水中的部分有机分子被排除。气泡在蛋分顶部聚集形成泡沫，不断向上涌出的泡沫最后都会流入废液收集杯中。泡沫中携带着大量的有机分子，去除这些泡沫的同时就完成了净化海水的过程。另外，还有一些溶解在水中的其它有机分子和水中的微生物也被排出系统。撇除过程并不会真正撇除所有原子、分子，完全溶解于水中的分子和亲水分子很难去除，如部分有机分子、盐、无机磷酸盐和碳酸盐等。
图1.撇除效果示意图.
2、撇除方法的历史
最早文献记载的使用泡沫法从水中去除有机分子的科学家是德国人Ostwald和Schutz。1960年，Huckstedt将此方法介绍到水族系统中。但是当时这种方法并没有受到广泛关注，直到1990年代，珊瑚饲养时代的带来，该方法才再次被人们重视。 另一种使用泡沫净化海水的技术是在1969年由Wallace介绍的。其中第一种方法后来发展出了两个分支，一是污水净化，二是蛋白提取。在水族箱内应用蛋白撇除技术维护系统是泡沫撇除技术在这一领域的重大突破，现代蛋白分离器技术也是在此基础上发展出来的。泡沫撇除技术在食品、制药业的特殊功效已被得到公认，尤其是从稀释的蛋白质溶液中分离或提取蛋白质的重要作用。本文中，我们仅探讨蛋白撇除在水族系统中地作用。在食品和制药业，撇除的作用在于收集溶解于水中的蛋白质，相反，蛋白分离技术在水族箱中是要去掉不利水质的溶解性蛋白。无论如何，程序都是一样的。很多专业小组研究针对不同溶液，不断优化提取技术。他们发现，这种技术在水族箱内也适用。研究人员努力研发如何测量气体流动速度(a) gas flow rate, (b)液体流动速度 liquid flow rate,和 (c)气泡体积影响在蛋白撇除效果中的变化 缩enrichment (E) 和重新提取 recovery (R)，浓缩 Enrichment (E) 的定义略有不同。有些人把浓缩比率定义为分离器撇除的泡沫中蛋白质含量 / 待处理水中蛋白质含量（图1）。另外一些人将此定义为分离器撇除泡沫中的蛋白质含量 / 被分离处理过的水肿蛋白质含量（图1）。两者数据相差不是本质性的，所以无所谓。另一个重要参数是重新提取率recovery (R)，即蛋白分离器分离出的蛋白质数量 / 经过蛋白分离器处理水体总蛋白含量。重新提取率 recovery R可以用提取率加时间的格式表示，例如90分钟提取50%。这两个参数是从两个不同方面进行测量，因此形成两个参数的反比特性。
浓缩和重新提取在泡沫撇除统计中都有用武之地。干泡沫中含有少量的水份，这种描述正式浓缩的意思。 因此，排除的干泡沫量越大，从系统中排出的废物越多。相反，湿润泡沫中含有大量水分，排出速度更快。也就是说，携带着大量有机质的湿润泡沫能更快的去除水体中的废物。在这种情况下，最大的重新提取率应该导致最大的海水净化率。 进步一讨论，如果制造商分别使用不同的标准衡量，那么从浓缩和重新提取两个不同角度的比较就没有意义了。湿润泡沫内含有更多的盐分，因此会引起系统内盐分的缺失，需要向系统内补充盐分以固定水体比重。 缸内的总体盐度会有变化，因此经常会看到介于干湿之间的泡沫。 在最终的分析中，任何可提高泡沫总撇除量的因素都是可以提高净化水质的参数。蛋白提纯研究关注于浓缩率，因为在食品和生物制药工业中，蛋白的纯度是至关重要的。因此该两行业宁可牺牲一些提取率，也绝不会降低提纯率。无论怎样，蛋白提纯技术中的重要经验同样也会为水族蛋白分离器提供帮助。 图表2，3，4是蛋白提纯的典型说明。在这个研究中，模型蛋白 Bovine Serum Albumin (BSA) 溶解在盐水中(~ 5.8 ppt of NaCl; compare saltwater ~ 35 ppt of all salts) ，循环通过一个蛋白分离器模型，并向模型内注入空气。对收集的泡沫进行蛋白凝结分析，分离器模型的进水和出水也将同时被分析。图表2说明在实验通气量不断变化时浓缩和重新提取是如何区别表现的。高速通气量会降低浓缩率，而提高提取率，至少在实验测试范围内是如此表现的。
图表2.蛋白分离器工作效率与气体通量关系(from Brown, 1990).
图表2-4的曲线关系在模型系统中进行的，实际的水族箱设置中的表现还需要进一步证实，当然，这些实验性的结果将为蛋白分离器行业分离效果标准检测方法标准做出示范性的作用。例如，在其中一个因素，Uraizee讨论的最佳的气泡直径能够得到最大的浓缩效果。 这个颇具煽动性的建议增加了气泡体积在增大有机物排除速率的片面观点。水族学家利用关于浓缩和提取方面的信息通论可能倾向的结论是最好的蛋白分离效果应该使用较低的水流速率同时有较高的气体通入速率。 一会儿我们要讨论的其他相关方面也能衡量效果，不必死盯着这一点。 除了上述所说的三个可变的重要参数（蛋白分离器内水流速度，气体通入速度和气泡直径，我们对其它一些蛋白分离器效率有关的方面也进行了检验。 如：（1）海水的PH值，（2）模型蛋白的浓度，（3）反映仓内液面高度与浓缩和提取率的关系曲线都进行了测试。更主要的是，我们花了很大精力在蛋白数学模型的建立方面，该模型能够根据输入值的变化预测浓缩和提取率。不幸的是，这个数学模型是建立在直接测量数据的基础上的，没有进一步的超越。有兴趣的读者可以参考有关文章。
今天就到这里，明天会讲到：
3、我们研究的目的
4、蛋白分离器工作效率的公制定义
5、撇出率的数学表述
—今日话题—
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—END—
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