透析蛋白分离器--------蛋分效率评估方法的发展

• 主要内容： 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: Precision Marine:

  "这些蛋白分离器能够撇除水族箱的任何物质。" "我们的蛋分能迅速分离系统内高速循环水流中的有机物质。"

  AETech (ETSS):

  "本品将为您提供独特的可操控性，请区别于其它产品。为您的水族箱柔和而高效的撇除杂质，而不会出现过度撇除现象。该分离器内能够产生最佳体积的气泡，使分离器内充满气泡的海水呈现出如牛奶般的乳白色。气泡与海水达到最长时间接触，减少无效泡沫。"

  Euroreef:

  "自选泵头， "Euro-AirTM" venturis, 与 "Euro-WheelTM" pinwheel style impellers 组合能够产生难以置信的微气泡，形成气体与水中有机分子的最大接触面，保持水族箱清洁健康。" "超高的工作效率和更低的价格来源于先进的设计"

  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: 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). 关于这方面的综合性规律探索还不多，只有一条规律被人们掌握。关键在气泡的体积，直接影响着吸收模型蛋白的数量和最终形成泡沫的数量。不同环境有许多不同特性影响着浓缩和提取效率， 有些特性恰恰起到相反的作用。因此，有些参数的变化直接影响最终的效果。尤其是：

  
  

• 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?

• 什么是蛋白分离技术

• 蛋白分离技术的历史

• 我们研究的目的

• 蛋白分离器工作效率优良的定义

• 总有机碳（TOC）撇出率数学公式

• 总有机碳（TOC）撇出总量

• 实验设计

• 实验结果

• 结论

• 致谢

• 气泡表面积是个决定性因素，因为那里是蛋白吸附现象发生的地方。气体量相同的前提下，气泡越小，吸附表面积越大。在反映容器中，气泡接近球形，表面积A=6/直径。在排出的泡沫中，气泡大致呈12面体状态，与其相邻的6个气泡共用一个表面，因此，表面积为A=6.6/气泡直径。因此，在液体环境中，通气量相同情况下，小气泡工作效率更高。能够明显提升浓缩和提取效率。

• 泡沫中携带的液体向反应器内回流。由于许多复杂原因，气泡越大，液体回流现象越明显。一般，这种情况有助于增加浓缩率，因为回流液体内的蛋白浓度较低，泡沫内剩余液体内蛋白浓度较高，从而提高浓缩效果。所以，在形成泡沫阶段，泡沫气泡越大，浓缩率越高。

但什么是影响气泡体积的因素呢？ 气体通量和气泡体积的比例之间有着比较复杂的关系，同时也受到气泡产生方式的影响。 据介绍，气体通量速度加快可以产生更小的气泡，直径在4-10 µM之间。在BROWN的实验条件下，随着气泡与气体通量比率，从较大气泡形成泡沫的回流量呈现优于较小气泡形成泡沫的效果，图表2所显示。 事实上，较慢的气体通入速度，会导致泡沫中气泡较大，泡沫中气泡越大，液体回流就越多，浓缩效率越高。 因此，图表2解释浓缩效果与通量的关系。当然，在另一个极端，更快的气体通量带走更多的液体进入泡沫，这种稀释的蛋白质含量相对较低的液体形成泡沫，浓缩率就比较低。 提取率与气体通量的比率是完全不同的情况，在这个例子中，气体通入速率越高，气泡就越小，泡沫中的回流现象就越不明显，提取率随之提高了。 如图表2中所示，泡沫中溶解的蛋白质就是在反应器中附着在气泡表面的蛋白质，任何减少液体回流的情况都能帮助泡沫中留住更多的蛋白质，从而提高撇出泡沫中蛋白的提取率。为提高这种效果，我们要就需要增加气体通入速率。最后的结论是慢速通入气体产生的较大体积的气泡所形成的泡沫液体回流较多，因此也就降低的提取率。 在一系列单独的实验中，Brown还发现增加蛋白分离器内液体流经的速度会导致提取率的降低，但只有在速率非常低的时候，浓缩率才会有明显的正比变化，见图表3。 当然，实验模型中水流速度要比水族箱中蛋白分离器水流速度低很多，甚至不在一个数量级上，但实验中使用的蛋白分离器模型反映仓也非常小，大约只有卷状卫生纸盒大小。这个结论将在下面被证实。 图表3 蛋白分离器表现与水流速度关系曲线。 蛋白提取率作为一个函数，是由两个效果的交点决定的。更快的水流速度导致更小的气泡体积，从而使液体上层泡沫中气泡体积变小。之前的观察认为是由于气泡在反应器内缺少相互碰撞结合而变大的机会，而之后最终的解释是气泡消亡过程中含蛋白的气泡表面张力的结果。如果气泡体积不变的情况下，我们期待水流速度增加可以提高提取率，因为泡沫的回流速率可以受到抑制。然而，这个期望还没有得到专家的证实。 因此，另一个现象必须考虑，Wong证实了水流速度会导致气泡与水中蛋白质接触的时间减少。 在这种情况下，吸附蛋白的数量和最终提取蛋白的数量都会减少。 气泡体积在水族蛋白分离器表现中占有重要地位，本文也支持其在蛋白提取中其不可替代的作用。不幸的是，直接的影响数据很难收集，Aksay制作了一个曲线函数表示气泡体积与蛋白浓缩率和提取率之间的关系。在这份报告中， Aksay 和 Mazza记录了浓缩率与气泡体积成正比，提取率与气泡体积成反比，见图表4. 关于这种现象的解释在之前已经探讨过了。 大体积气泡能导致更多的回流现象，从而提高了浓缩率。 在另一方面，这些较大的气泡单位体积内携带的蛋白较少，从而导致了更多的回流，减少了提取率。另外，关于在蛋白分离器运行期间测量气泡体积的问题充满了不愉快的辩论。大多数研究人员仅仅通过拍摄附着在反应器内壁上的气泡照片测量，但这种方法遭到了Tanner的批评，他发展了一种在任何情况下都能进行的间接测量法。他发现内壁附着气泡测量法确实有误差，泡沫内部的气泡体积平均是表面的1.5倍。 图表4.蛋白分离器功效与气泡体积关系曲线 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。 3、我们研究的目的 上述关于蛋白分离技术的浓缩和提取率问题并不是水族爱好者直接关心的问题，尽管这些论述让我们理解了各种参数之间的关系和蛋白分离器工作效率的内幕。我们希望能够发展一个公制的可用于衡量水族箱内蛋白分离器工作效率的方法。而且我们将使用这个标准来比对四种市面上公认的大品牌化蛋器和在不同条件下，测试这种方法的可行性。 4、蛋白分离器工作效率的公制定义 假设有两种测量方法是水族爱好者最感兴趣的，（1）撇出有机物质的速率，（2）撇出有机物质占水体有机物质含量的总比率。这里我们简称总有机碳（TOC）为有机物质含量。回顾一下关于有机物质含量的文章，我们前几期文章中 。在所有的参数中，有机物质撇出率是最重量级的，其次有机物质撇出总量也是很受关注的参数。 这两个参数反映的是不同的侧面，但不代表两个参数必须共同变化。 也就是说，撇出率高不代表总撇出量高。这些蛋白分离器工作效率的检测标准与我们之前的有机物颗粒活性GAC (granular activated carbon) 研究是一致的。有兴趣的读者可以在本刊的其它主题中找到更多的背景资料。 5、撇出率的数学表述 构建一个数学模型用来统计有机物质被撇出的速率是最核心的工作。 首先遭遇的问题是化学教科书中提到的均匀搅拌。 无论是蛋白分离器还是底缸，在给定条件下都可以被视为均匀混合反应器。水中的一部分物质在蛋白分离器中被气泡携带并排除。因为分离器和底缸是联通的，底缸内的有机物含量也会随之降低 ，我们要建立的模型就要将蛋白分离器排除的有机物和底缸内有机物含量的损耗建立联系。在我们的实验环境中，实验用底缸的容量 Vr (saltwater in a Rubbermaid tub)，有水泵链接蛋白分离器，同时分离后的水流回底缸。 蛋白分离器反映仓中气泡与水紧密接触的反应区体积为 Vs。具体见图7。为了进一步分析，我们假设反映区域内所有体积均为海水，即忽略气泡体积的存在，因为我们无法进一步将气泡体积与水的体积进行详细的区分。这个假设将会给进一步的计算引入偏差， 但这个偏差是存在于每个参与实验的蛋白分离器中的，并不影响最终的比对结果。非常精确具体的去除结果在实验中并不重要。我们需要精确了解的是底缸内有机物消减量。我们将BSA（模型蛋白）溶解于新鲜配置的海水中，作为衡量TOC的介质。数学模型中使用TOC是为了简便，但实际上我们使用BSA替代了TOC，即将模型蛋白视为全部的有机物质。 确定底缸和蛋白分离器内的海水充分混合很重要，我们在底缸内安装了两个泵头，同时还在同一时间分别测量了底缸内多个点的TOC浓度，测试结果偏差<10%，因此我们有理由认为底缸的海水在每一时刻基本上是充分混合的。蛋白分离器内的海水在水流和气泡上升的作用下得到充分混合。 在蛋白分离器内我们并没有单独设置混合搅拌设备。 图表5 实验模型草图 基本的物理特性模型我们将要进一步发展，成为有机物质平衡。即有机物质在系统循环的过程中不可能消失，底缸中损失的有机物质应等于蛋白分离器撇出的有机物质。即等式（1）。 (1) 输入（input） + 产生（generation） = 输出（output） + 堆积物（ accumulation） 目前的问题是没有有机物质产生，而且有机物质是由气泡携带排出的，因此，我们用撇出物（removal）替代产生（generation），实际上是产生的反义词。另外，因为没有有机物质产生，也就没有有机物质堆积，有机物质在系统中是不断的损失，因此我们用损失（depletion）代替堆积（accumulation）。因此新的等式为： (2) 输入（input） +撇出（ removal） = 输出（output） +损失（ depletion） 我们首先关注底缸。因为没有明确的有机物质从底缸中排出，因此在等式（2）中，撇出（removal）=0。输入(input)等于累计溶解的有机物质，毫克/分钟。等式中，所有的单位都应统一于此。输入水流的有机物质含量[TOC]s（毫克/加仑）乘Q（加仑/分钟）。 (3)单位时间 有机物质输入总量（mass of TOC added over time in input stream） = （加仑/分钟）Q • 毫克/加仑（[TOC]s） (4) mass of TOC removed over time in output stream = Q•[TOC]r (5) Q•[TOC]s = Q•[TOC]r + depletion (6) amount of TOC in the reservoir = Vr•[TOC]r (7) depletion = Vr•d[TOC]r/dt (8) Vr•d[TOC]r/dt = Q•([TOC]s - [TOC]r), where (9) Vs•d[TOC]s/dt = Q•([TOC]r - [TOC]s) + removal (10) TOC + bubbles → TOC•bubbles (11) amount of TOC in the active water volume of the skimmer = Vs•[TOC]s (12) rate of TOC removal by the bubbles ∝ -Vs•[TOC]s (13) rate of TOC removal by the bubbles = -k•Vs•[TOC]s (14) Vs•d[TOC]s/dt = Q•([TOC]r - [TOC]s) - Vs•k•[TOC]s (15) (Vs/Vr)•d[TOC]s/dτ = [TOC]r - [TOC]s - Vs•k•[TOC]s/Q (16) 0 = [TOC]t - [TOC]s - k•[TOC]s•Vs/Q, or (17) [TOC]s = [TOC]r/(1 + k•Vs/Q) (18) d[TOC]r/dt = (Q/Vr)•([TOC]r/(1 + k•Vs/Q) - [TOC]r) (19) d[TOC]r/[TOC]r = -[k•Q/(Vr•(k + Q/Vs))]•dt, (20) Ln([TOC]r/[TOC]0) = -[k•Q/(Vr•(k + Q/Vs))]•t 6、有机物质排出总量 得出一个准确的有机物质提取排出总量需要一点点分析和一点计算。 数学表达式（19）和（20）表示了有机物质损失，称为“有机物质输出”通过计算机我们也可以建立一个数学模型，得出精确的蛋白撇出数据，以及蛋白分离器无法再从海水中分离出有机物质时的极限有机物质浓度，这个问题在公式（21）中有所体现。关键的词是稳定期"plateau"， 简单的用起始有机物浓度[TOC] -稳定期有机物浓度[TOC]o，就得到了我们需要的品质，即有机物质排出总量，见图表6。基本上，我们可以把这个数字作为浓度撇出参数，或者乘以系统水量体积作为排出有机物绝对量的计算依据。在实践中我们将简单的视为蛋白分离器运行时有机物浓度撇出百分比。这说明蛋白分离器不能撇出所有的有机物质。回到图表1，一些不同时含有亲水、排水特性的分子是不能被气泡撇出的。因此在蛋白分离后他们还会留在水中。在实际情况中，当蛋白分离器无计可施时，我们可以大致的估计水中残留的有机物质总量。 (21) [TOC]r = ([TOC]0 - plateau)e-Jt + plateau, J = a constant which makes the curve fit the data; it has no direct physical meaning 图表6.稳定期图表 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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