Loading article…
プロテインスキマー（またはフォームフラクショネーター）は、水から食物残渣や廃棄物などの有機物を除去するために使用される装置です。主に、自治体の浄水施設、公共水族館、養殖施設などの商業用途で使用されています。小型のプロテインスキマーは、家庭用海水水槽はもちろん、淡水水槽や池のろ過にも使用されています。
循環式養殖システムでは、泡分離器は、生物フィルターや機械フィルターでは捕捉できない溶存有機物や微粒子を除去するために広く使用されており、下流のバイオフィルターへの総有機炭素負荷を低減します。[ 1 ] [ 2 ]
プロテインスキミングは、食品の粒子や魚の廃棄物に含まれるタンパク質やアミノ酸などの特定の有機化合物を、タンパク質自体の極性を利用して除去します。水中のタンパク質は、その固有の電荷により、空気と水の界面で反発または引き寄せられ、これらの分子は疎水性（脂肪や油など）または親水性（塩、砂糖、アンモニア、ほとんどのアミノ酸、ほとんどの無機化合物など）に分類されます。ただし、より大きな有機分子の中には、疎水性部分と親水性部分の両方を持つものもあります。これらの分子は、両親媒性または親水性と呼ばれます。市販のプロテインスキマーは、大量の気泡を水中に注入することで、大きな空気と水の界面を作り出します。一般的に、気泡が小さいほどプロテインスキミングの効果は高くなります。これは、同じ体積を占める小さな気泡の表面積が、同じ体積の大きな気泡の表面積よりもはるかに大きいためです。[ 3 ]多数の小さな気泡は、疎水性有機分子と両親媒性有機分子が気泡表面（空気-水界面）に集まるための巨大な空気-水界面を提供します。[ 4 ] [ 5 ]水の動きは有機分子の拡散を促進し、より多くの有機分子を空気-水界面に効果的に運び、有機分子が気泡の表面に蓄積できるようにします。このプロセスは、気泡が水から取り除かれるか破裂しない限り、界面が飽和するまで続きます。この場合、蓄積された分子は水柱に放出されます。ただし、飽和した気泡が有機分子にさらされると、より強く結合する化合物が、すでに界面に蓄積されている結合力の弱い分子と置き換わるため、変化が継続する可能性があります。一部のアクアリストは、接触時間（または滞留時間と呼ばれることもあります）を増やすことは常に良いと考えていますが、気泡と水槽の水との接触時間を常に増やす方が良いと主張するのは誤りです。[ 6 ]プロテインスキマーの水柱の上部付近で気泡が増加すると、気泡の密度が高くなり、水が排出されて泡が生成されます。この泡は有機分子をスキムメイト収集カップまたは別のスキムメイト廃棄物収集器に運び、有機分子と有機分子に結合した可能性のある無機分子は水システムから排出されます。
スキミングによって除去されるタンパク質に加えて、通常除去される他の多くの有機分子および無機分子があります。これらには、さまざまな脂肪、脂肪酸、炭水化物、銅などの金属、ヨウ素などの微量元素が含まれます。微粒子、植物プランクトン、バクテリア、デトリタスも除去されます。これは一部のアクアリストが望んでおり、スキマーを他のろ過方式の前に配置することで、ろ過システム全体の負担が軽減され、しばしば効果が向上します。スキマーによって除去される排出物の詳細なリストを提供する発表済みの研究が少なくとも1つあります。[ 7 ]ただし、濾過摂食性の無脊椎動物を飼育しているアクアリストは、これらの微粒子を自然の餌として水中に残しておくことを好む場合があります。[ 8 ] [ 9 ]
プロテインスキマーは、藻類や植物プランクトンを穏やかに採取し、培養や生きた培養物としての商業販売に適した生存能力を維持するために使用されます。
近年、代替的な水ろ過方法が用いられるようになってきており、その一つに藻類スクラバーがある。これは、サンゴや小魚が食べるための餌の粒子を水中に残しつつ、タンパク質スキマーでは除去できないアンモニア、亜硝酸塩、硝酸塩、リン酸塩などの有害物質を除去する。
スキマーには共通する重要な特徴があります。水がチャンバー内を流れ、微細な気泡の柱と接触します。気泡はタンパク質やその他の物質を捕捉し、装置上部のカップに運びます。カップには水ではなく泡だけが溜まります。ここで泡は凝縮して液体になり、システムから簡単に取り除くことができます。カップに溜まる物質は、淡い緑黄色の水っぽい液体から、濃い黒色のタール状物質まで様々です。
ランディ・ホームズ＝ファーリーによる最適なタンパク質スキマー設計の要約を検討してください。[ 10 ]
スキマーが最大限に機能するためには、以下のことが起こる必要があります。1 . 大量の空気と水の界面が生成されること。2 . 有機分子が空気と水の界面に集積すること。3 . この空気と水の界面を形成する気泡が集まって泡を形成すること。4 . 泡の中の水が、気泡が途中で破裂することなく部分的に排出されること。5 . 排出された泡が大量の水から分離され、廃棄されること。
2006年以降、プロテインスキマーの一般的な形状にかなりの注目が集まっている。特に、円錐形のスキマー本体の導入に焦点が当てられている。Royal ExclusivのKlaus Jansenはオリジナルデザイナーだと主張しているが、2006年から2007年の同時期の記録では、スキマー本体用のアクリル製円錐しか示されておらず、完全な円錐形スキマーは、Aquarium Technik BurianのAnton BurianによってEUで、そして後に2007年までに米国ですでに販売されていた。Korallen-Zuchtも2007年頃に円錐形スキマーのRevolutionシリーズを発表したが、これらはニードルホイールポンプではなくベケット式ベンチュリ注入に依存していることと、バブルプレートがないことから、一般的に効果が低いと考えられていた。
スキマーの底部に設置された、乱流を低減する流量分配板である「バブルプレート」（逆さにしたシャワーヘッドに似ている）は、円錐形の本体が広く採用される以前に、クラウス・ヤンセンによって普及・改良された。円錐形のコンセプトは、複数の設計者の間で独立して生まれたと考えられており、その原理は、テーパー状の本体によって、急激なネックの縮小ではなく、滑らかな幾何学的変化を通して泡がより徐々に蓄積されるというものである。
円錐形の本体は円筒形に比べて内部乱流を低減するとよく言われる。より正確には、テーパー形状によって断面積が減少するにつれて横方向の速度成分が徐々に抑制され、半径方向（横流れ方向）の乱流渦の形成が抑制され、よりまとまりのある上向き（軸方向）の流れが促進される。この効果は、気泡板や高効率ニードルホイールポンプと相まって、高い空気対水比（体積比で水対空気比が2：1に近づく）を実現し、内部の流れの様式をガス優勢の分散へとシフトさせ、大規模な乱流混合を低減させる。
円錐形状のもう一つの見落とされがちな利点は、安定した泡の高さを維持しながら、スキマーの内部水位を低く保つことができる点です。テーパー形状により、空気と水の混合物が徐々に圧縮され、半径方向の乱流が低減されるため、泡が上昇するにつれてより効率的に固まります。実際には、円筒形の本体に比べて必要な運転水位が低くなるため、ポンプの空気と水の吸入口にかかる背圧が軽減されます。これにより、少ない水量と乱流でより多くの空気を吸い込むことができます。結果として、円錐形のスキマーの中には、比較的浅いサンプの深さ（例えば、約4～6インチ）でも効果的に動作するものがあります。
批評家たちは、円錐体の体積と高さが減少すると滞留時間が短くなると主張してきたが、ランディ・ホームズ・ファーリーらの研究は、主要な効率指標としての滞留時間から焦点を移し、代わりに空気と水の界面面積と気泡密度の重要性を強調しており、現代の円錐体ニードルホイールスキマーはこれらの点で優れている。[ 11 ]
総じて、プロテインスキマーはかつて、並流式か向流式かによって2つの方法で分類されていました。並流式システムでは、空気がチャンバーの底部から導入され、収集チャンバーに向かって上昇する水と接触します。向流式システムでは、空気が加圧されてシステムに送り込まれ、収集カップに向かって上昇する前にしばらくの間、水の流れに逆らって移動します。向流式システムでは気泡が水とより長い時間接触する可能性があるため、このタイプのプロテインスキマーは有機廃棄物の除去に効果的であると考える人もいます。[ 12 ]
バブルプレート技術と高効率ミキシングポンプの普及以来、「向流」と「並流」の区別は意味を失ってしまった。
タンパク質スキミングの従来の方法である、ディフューザーに加圧空気を通し、大量のマイクロバブルを生成する方法は、より新しい技術ではメンテナンスの手間が少なくなる可能性があるものの、依然として実行可能で効果的かつ経済的な選択肢です。エアストーンは、多くの場合、長方形で部分的に中空の木片で、多くはシナノキ属です。スキマーで最も人気のある木製エアストーンは、シナノキ（Tilia europaeaまたはヨーロッパシナノキ）で作られていますが、シナノキ（Tilia americanaまたはアメリカシナノキ）も同様に機能し、より安価で入手しやすい場合が多いです。木片には穴が開けられ、タップが切られ、エアフィッティングが取り付けられ、エアチューブで少なくとも 1 cfm の空気を供給する 1 つ以上のエアポンプに接続されます。木製エアストーンは、高い水柱の底に置かれます。タンクの水は水柱にポンプで送られ、上昇する気泡を通過してタンクに戻ります。気泡との十分な接触時間を確保するために、これらのユニットは数フィートの高さになることがあります。
エアストーン式プロテインスキマーは、PVCパイプと継手を使って低コストでDIYプロジェクトとして製作できます。 そして、複雑さの度合いは様々である。。
エアストーン式プロテインスキマーは強力なエアポンプを必要としますが、このポンプは電力消費が大きく、騒音も大きく、発熱も大きいため、水槽の水温上昇につながります。この方法は長年使われてきましたが、より効率的な技術が登場したため、現在では大型水槽や生物負荷の高い水槽では非効率的だと考える人が多くいます。
これらのスキマーの原理は、高圧ポンプとベンチュリ管を組み合わせることで、水流に気泡を導入できるというものです。水槽の水はベンチュリ管を通してポンプで送られ、圧力差によって微細な気泡が導入された後、スキマー本体に入ります。この方法は、当時としてはコンパクトなサイズと高い効率性から人気がありましたが、現在ではベンチュリ式設計は時代遅れとなり、より効率的なニードルホイール式設計に取って代わられています。
この基本的な概念は、吸引式スキマーとしてより正確に知られています。吸引装置を使用するスキマー設計の中には、ピンホイール/アドリアンホイールやニードルホイールを使用しないものもあるためです。ピンホイール/アドリアンホイールとは、ディスクに垂直（90°）かつローターに平行にピンが取り付けられたディスクで構成されるインペラの形状を指します。ニードルホイールとは、中心軸からローターに垂直に突き出た一連のピンで構成されるインペラの形状を指します。メッシュホイールとは、ローター上のプレートまたは中心軸に取り付けられたメッシュ材料で構成されるインペラの形状を指します。これらの改良型インペラの目的は、エア吸引装置または外部エアポンプを介して導入された空気を非常に細かい気泡に切断または粉砕することです。メッシュホイール設計は、薄い切断面で細かい気泡を生成できるため、短期的には優れた結果をもたらしますが、目詰まりしやすい性質があるため、信頼性に欠ける設計です。
エアアスピレーターは、ウォーターポンプの位置によってベンチュリ管と異なります。ベンチュリ管では、水が押し出されて真空状態を作り出し、空気を吸い込みます。一方、エアアスピレーターでは、水が吸い込まれて真空状態を作り出し、空気を吸い込みます。しかし、これらの用語はしばしば誤って混同されます。
このタイプのプロテインスキマーは、公共水族館で非常に人気があり、現在では家庭用リーフアクアリウムで最も人気のあるスキマータイプと考えられています。通常コンパクトなサイズ、設置と使用の容易さ、静音運転のため、特に小型水槽で成功を収めています。ポンプは空気と水の混合物を押し出すため、ローターを回転させるのに必要な動力を減らすことができ、同じポンプでもインペラが異なり、水だけを汲み上げる場合と比べて、ポンプの消費電力が低くなる可能性があります。
ダウンドラフトスキマーは、独自のスキマー設計であると同時に、高圧で水をチューブに注入し、泡や気泡を発生させて空気と水の混合物をスキマー内部の別のチャンバーに送り込むタイプのプロテインスキマーでもあります。この独自の設計は米国で特許によって保護されており、米国で販売されているスキマー製品は、この1社のみに限定されています。この設計では、バイオボールなどのプラスチック媒体を内蔵した1本または複数本のチューブを使用し、スキマー本体内で高圧の水と空気を混合することで、タンパク質廃棄物を収集カップに集める泡を発生させます。これは初期の高性能プロテインスキマー設計の1つであり、大型モデルが製造され、大規模な公共水族館で成功を収めました。
ベケットスキマーはダウンドラフトスキマーといくつかの類似点がありますが、泡ノズルを導入して気泡の流れを作り出します。ベケットという名前は、ベケットコーポレーション（米国）が開発・販売した特許取得済みの泡ノズルに由来しますが、同様の泡ノズル設計は米国以外の企業（例：シッチェ（イタリア））からも販売されています。ダウンドラフトスキマーの設計に見られるプラスチックメディアの代わりに、ベケットスキマーは、ダウンドラフトスキマーとベンチュリスキマー（ベケット1408泡ノズルは改良された4ポートベンチュリ）といった、以前の世代のスキマーの設計コンセプトを採用し、強力な耐圧ウォーターポンプを使用し、短時間で大量の水槽水を迅速に処理できるハイブリッド型スキマーを実現しています。市販のベケットスキマーには、シングルベケット、デュアルベケット、クワッドベケットの設計があります。優れた設計のベケットスキマーは静かで信頼性があります。ポンプ技術の進歩と直流ポンプの導入により、強力なポンプが余分なスペースを占有したり、騒音を増加させたり、電力消費量を増やしたりするという懸念はすべて解消されました。ダウンドラフト式やスプレーインダクション式のスキマーとは異なり、ベケット式スキマーは米国をはじめとする多くの企業によって製造されており、特許による制限は知られていません。
この方式はダウンドラフト方式に似ていますが、ポンプを使って水面から数インチ上に固定されたスプレーノズルを作動させます。スプレー動作によってユニット底部内の空気が閉じ込められ、細かく砕かれます。これは、庭のホースの口を親指で塞ぐのと似た動作で、その後、空気は集水室へと上昇します。米国では、1社がこのスプレー誘導技術の特許を取得しており、市販されている製品はその1社のみに限られています。
最近の傾向として、水槽からスキマーに「汚れた」水を供給する方法を変更し、スキマー内で水を複数回循環させてからサンプまたは水槽に戻すという方法が採用されています。吸引ポンプ式スキマーは、循環式設計を採用しているスキマーの中で最も一般的なタイプですが、ベケットスキマーなどの他のタイプのスキマーも循環式バージョンが利用可能です。一部のアクアリストの間では、この循環によってスキマー内で発生した気泡の滞留時間または接触時間が長くなるという通説がありますが、これが正しいという確証はありません。水がスキマー内で循環するたびに、その水サンプル中の気泡は破壊され、循環ポンプのベンチュリ装置によって新しい気泡が生成されるため、これらの新しく生成された気泡の空気と水の接触時間は再び始まります。非循環式スキマーでは、スキマーにはポンプによって供給される入口が1つあり、このポンプは水槽から水を吸い込み、空気とともにスキマー内に注入し、泡または空気と水の混合物を反応室に放出します。循環式スキマーでは、通常、1つの入口は別の給水ポンプによって駆動されるか、場合によっては重力によって供給され、処理する汚れた水を受け取ります。一方、泡または空気と水の混合物を反応室に供給するポンプは、スキマーの側面に閉ループで別々に設置されます。循環ポンプはスキマーから水を吸い出し、空気を注入して泡または空気と水の混合物を生成してから、スキマーの反応室に戻します。つまり、水を「循環」させます。循環式スキマーの給水ポンプは、通常、並流式または向流式スキマーよりも少ない量の汚れた水を注入します。独立した給水ポンプにより、スキマーを通る水の交換速度を容易に制御できるため、多くのアクアリストにとって、これは循環式スキマーの重要な魅力の一つとなっています。これらのスキマーのポンプ構成は吸引式ポンプスキマーと似ているため、消費電力の面でも同様のメリットがあります。