Faste suspenderede partikler påvirker alle aspekter af landbaserede-industrialiserede recirkulerende akvakultursystemer negativt. Derfor er fjernelse af faste suspenderede partikler det primære mål for recirkulering af akvakulturvandbehandling. I recirkulerende akvakultursystemer er størstedelen af partikler efter masse mindre end 100 mikrometer. På grund af vandturbulens, biologisk nedbrydning og mekanisk omrøring kan suspenderede partikler, der ikke fjernes hurtigt, nedbrydes til finere suspenderede partikler, typisk mindre end 30 mikrometer. Under disse forhold bliver sedimentationsbehandling og mekanisk filtrering ineffektive.
Skumfraktionering er en teknik, der bruges til at fjerne fine suspenderede partikler. Det involverer at indføre luft i vandmassen, så overfladeaktive stoffer i vandet kan adsorberes på mikroboblerne. Disse bobler, der bærer det adsorberede materiale, stiger til overfladen ved opdrift og danner skum, hvorved opløste og suspenderede stoffer fjernes fra vandet. I øjeblikket er skumfraktionering anerkendt som en af de primære processer til effektivt at fjerne fine partikler i recirkulerende akvakultursystemer og er en afgørende komponent i disse systemer.
I. Proteinskummerens princip
1. Skumfraktioneringsprincip
Proteinskimmeren fungerer primært ud fra princippet om skumfraktionering. I recirkulerende akvakultursystemer indeholder udskillelser fra dyrkede organismer, uspist foder osv. store mængder organisk stof. Proteiner og andre overfladeaktive stoffer i dette organiske stof har en amfifil natur (både hydrofile og lipofile). Når et stort antal mikrobobler indføres i vandet, adsorberes disse overfladeaktive stoffer på bobleoverfladerne. Når boblerne stiger, danner bobler med adsorberede proteiner og andre stoffer et skumlag på vandoverfladen. Skumlaget, som har en lavere densitet, adskilles let fra vandmassen og fjerner således proteiner og andet organisk materiale fra vandet.
2. Fysisk-kemisk proces
Fra et mikroskopisk perspektiv eksisterer overfladespænding mellem bobler og vand. Når bobler stiger op gennem vandet, samler organiske molekyler i vandet sig mod bobleoverfladen under påvirkning af overfladespænding. Dette er en fysisk adsorptionsproces, ledsaget af nogle kemiske ændringer, såsom interaktioner mellem organiske molekyler og kemiske reaktioner med bobleoverfladen. For eksempel kan nogle proteinmolekyler gennemgå denaturering, hvilket gør dem lettere adsorberet på boblerne.
II. Proteinskummers rolle i recirkulerende akvakultur
(I) Vandrensning
1. Fjernelse af organisk materiale
Proteinskimmere fjerner effektivt organisk stof fra vand, herunder proteiner, fedtstoffer, kulhydrater osv. Hvis disse organiske stoffer ophobes i vandet, vil de blive nedbrudt af mikroorganismer, der forbruger store mængder opløst ilt og producerer skadelige stoffer som ammoniak-nitrogen og nitrit. Fjernelse af disse organiske stoffer via proteinskimmeren reducerer belastningen af den efterfølgende biologiske filtrering og sænker produktionen af skadelige stoffer i vandet. For eksempel, uden en proteinskimmer, kan det kemiske oxygenbehov (COD) i vandet hurtigt stige til over 100 mg/L, hvorimod COD med en proteinskimmer kan kontrolleres omkring 30 - 50 mg/L.
2. Reduktion af ammoniak-nitrogenproduktion
Ved at fjerne nitrogen-indeholdende organisk materiale som proteiner, reducerer proteinskimmere de potentielle kilder til ammoniaknitrogen i vandet. Dette er afgørende for at opretholde lave ammoniak-nitrogenkoncentrationer i recirkulerende akvakultursystemer, da ammoniak-nitrogen er meget giftigt for dyrkede organismer.
(II) Forbedring af vandklarhed
Mens de fjerner organisk materiale, fjerner proteinskimmere også nogle suspenderede partikler mindre end 30 mikrometer og forbedrer derved vandets klarhed, hvilket gavner væksten af dyrkede organismer.
(III) Reduktion af sygdomsoverførsel
Fjernelse af patogenvektorer: Organisk materiale og suspenderede partikler i vandet tjener ofte som bærere for patogener, såsom bakterier, vira og parasitter. Ved at fjerne disse bærere reducerer proteinskimmeren muligheden for patogenoverførsel i vandet, hvilket mindsker risikoen for sygdomsinfektion i dyrkede organismer.