jorgo
19-06-2009, 12:37
Protein Skimming: How It Works
by Randy Holmes-Farley
Trad. di Jorgo
Parte 1 - rev. 1 (scusate l'italiano pessimo e le ripetizioni, purtroppo la letteratura "scientifica" inglese è una tortura da tradurre in un linguaggio per noi gradevole, si accettano tutte le correzioni del caso)
Questo articolo intende dare informazioni dettagliate circa il funzionamento degli schiumatoi negli acquari marini. Poiché gli schiumatoi variano considerevolmente nel design e rappresentano una tecnologia in via di evoluzione, non proveremo a dimostrare quale tipologia sia la migliore; piuttosto, descriveremo alcuni dei principi fisci su cui si basa la schiumazione in maniera più dettagliata rispetto a quanto presentato nei libri hobbistici sull'acquario marino. L'obiettivo più grande è di aiutare gli appassionati a comprendere il funzionamento delle proprie vasche. Se raggiungeremo questo risultato, sarà un successo.
Principi base:
Prima di addentrarci nei dettagli dello schiumatoio, è utile approfondire alcune definizioni chimiche fondamentali.
Idrofobia
Le molecole, come ad esempio le molecole organiche che si trovano nelle vasche marine, sono spesso descritte come idrofobe o idrofile. Idrofobia significa semplicemente "odio dell'acqua" (da idros, acqua, e fobos, paura). Allo stesso modo, idrofilia significa "amore per l'acqua". Esempi di molecole idrofobiche sono il metano, l'azoto, olii, grassi, colesterolo, la maggior parte delle molecole nella benzina, il butano (gas degli accendini), l'etere, alcune vitamine (A, D, E, K) e la maggior parte dei refrigeranti (clorofluorocarburi - CFC). Queste molecole non si mescolano ne sciolgono in acqua in alcuna percentuale. Esempi di molecole idrofile sono l'acqua, il sale da cucina (NaCl), il saccarosio (zucchero da cucina), l'alcol etilico, l'acido glicolico, la glicerina, il glucosio, l'ammoniaca, la maggior parte degli amminoacidi (ad esempio la glicina), alcune vitamine (B6, B12, C, Biotina, Niacina) e praticamente tutti i composti inorganici (ndr - http://it.wikipedia.org/wiki/Composto_inorganico ). Queste molecole sono tutte solubili in acqua più che in olio. C'è infatti un elenco senza discontinuità di molecole dalla più idrofoba alla più idrofila, perciò raramente si può dire che una molecola sia completamente idrofila o idrofoba. Alcune molecole che cadono al centro di questa classificazione sono la formaldeide, l'aspirina (acido acetilsalicilico), i fenoli, l'alcool isopropilico e l'acetone. Alcune molecole molto grandi possono avere porzioni idrofile e porzioni idrofobe. Gli acidi grassi, molte proteine, saponi e detergenti, e una gran varietà di molecole biologiche cadono in questa categoria. Esse sono spesso chiamate anfipatiche o anfifiliche.
Schiumazione
Come più o meno tutti sappiamo, lo schiumatoio funziona generando una grande superficie di interfaccia aria/acqua. Tutti gli schiumatoi commerciali ottengono questo effetto mediante la sospensione in acqua di bolle d'aria - anche se il confine tra bolle d'aria in acqua e gocce d'acqua in aria è labile in alcuni schiumatoi a iniezione dall'alto. Altre configurazioni, ad esempio superfici piatte, sono possibili. Le molecole organiche, idrofobe o anfipatiche, si raccoglieranno su quest'interfaccia per ragioni che andremo a spiegare più avanti. La patina oleosa che si vede galleggiare sull'acqua è un perfetto esempio di questo raccogliersi sull'interfaccia aria/acqua. Quando le bolle in uno skimmer cominciano a raccogliersi per effetto della spinta che ricevono verso l'alto, e quindi verso il bicchiere di raccolta, esse cominciano ad interagire e a formare una schiuma. La schiuma si forma quado le bolle sono molto vicine l'una all'altra e l'acqua trattenuta tra esse può scolare. Più acqua scola, più la schiuma risulterà secca.
Il prodotto finale, la schiuma secca, che contiene ancora un po' d'acqua insieme alle molecole organiche, può essere raccolto e gettato.
Per ottenere la massima efficenza da uno skimmer devono essere rispettate le seguenti condizioni:
1. Deve essere generata una grande interfaccia aria/acqua.
2. Le molecole organiche devono essere trasportate verso la suddetta interfaccia e/o deve essere permesso loro di raccogliervisi.
3. Le bolle che formano quest'interfaccia devono potersi avvicinare per formare una schiuma.
4. L'acqua tra le bolle deve poter scolare senza che le bolle si rompano.
5. La schiuma deve essere raccolta separatamente dal volume d'acqua della vasca e gettata via.
Qualsiasi cosa che influisce sulla schiumazione deve avere un effetto su uno di questi punti.
Proveremo a spiegare ognuno di questi requisiti, e cosa può compromettere la loro efficenza.
1. Interfaccia aria/acqua
Perché è richiesta una grande superficie di scambio? La questione ci porta alle radici del perché le molecole organiche si raccolgono su quest'interfaccia. La ragione fondamentale è che l'interazione tra due molecole d'acqua è molto più forte di quella tra una molecola d'acqua e una molecola organica idrofoba, come l'olio. L'acqua crea dei legami idrogeni (ndr - http://it.wikipedia.org/wiki/Legame_a_idrogeno ) con le altre molecole d'acqua e con certe molecole idrofile, ma non con l'olio. Quest'interazione tra molecole d'acqua è molto forte, e ha un grande impatto sulle proprietà dell'acqua stessa. Pertanto, se una molecola d'olio viene "affondata" nell'acqua, sostanzialmente si fa strada tra le molecole d'acqua che vogliono interagire tra loro. Mandare l'olio verso la superficie e fuori da essa elimina questa interferenza, poiché le molecole d'acqua in superficie non hanno nulla al di sopra di loro con cui formare legami idrogeni (l'aria non va bene, è troppo rarefatta e perciò c'è poco con cui interagire). Questo è chiamato effetto idrofobico, nonostante in realtà sia causato dai legami idrogeni, e non dalla molecola idrofoba.
Se la molecola idrofoba in esame è l'olio, tutte le molecole d'olio mandate in superficie possono unirsi e formare uno strato d'olio, come si nota miscelando olio d'oliva e acqua.
Se invece si parla di molecole anfipatiche, la loro porzione idrofila tenderà comunque a interagire con l'acqua (poiché questa parte della molecola può formare legami idrogeni o altri forti legami con l'acqua). Perciò il meglio che queste molecole possono fare è lasciare uscire la loro porzione idrofoba fuori dall'acqua, mantenendo il gruppo idrofilo in contatto con l'acqua.
In pratica, la maggior parte delle molecole organiche dissolte in una vasca marina saranno anfipatiche, ed il grosso delle restanti idrofile. Ci saranno relativamente poche molecole puramente idrofobe (come il grasso) nella vasca. La maggior parte delle molecole molto idrofile non saranno rimosse dallo skimmer, quindi comprendere come le molecole anfipatiche reagiscono in uno schiumatoio è la chiave per capire il funzionamento della schiumazione.
Una ragione per la quale gli skimmer sono spesso chiamati "schiumatoi di proteine" è che la maggior parte delle proteine sono anfipatiche. Spesso hanno una superficie esterna di amminoacidi idrofili ed un interno di AA idrofobi. Quando sono disciolte in acqua, solo l'esterno idrofilo è a contatto con le molecole di essa. Quando vengono messe in contatto con l'interfaccia acqua/aria (o con qualcosa di idrofobo) le proteine cambiano forma e presentano la porzione idrofoba all'interfaccia. In questo modo sono prontamente attratte e aderiscono all'interfaccia stessa.
A presto con il (lungo) seguito...
edit
...parte del seguito...
Quanto viene trattenuto in superficie?
Insomma, cosa significa tutto questo per uno skimmer? Significa che solo un singolo strato di molecole anfipatiche può formarsi sull'interfaccia aria/acqua. In altre parole, un solo film di molecole può formarsi sulla superficie aria/acqua, che avranno le proprie "code" idrofile in acqua e le proprie "teste" idrofobe esposte all'aria. Sfortunatamente per gli acquariofili marini, un singolo strato è praticamente niente... un singolo strato di sapone comprende circa 5x10^14 molecole per centimetro quadro, che corrisponde a circa 0.0025 g/m2. Per estrarre un grammo di sapone in uno strato singolo, si dovrebbero considerare circa 400mq di superficie. Determinati fattori possono cambiare significativamente questi numeri, ma in generale queste sono le ragioni per cui abbiamo bisogno di generare una superficie di scambio molto estesa. Un punto di vista interessante è guardare alla superficie di una vasca tipica. Una vasca 120*60 ha 0,72m2 di superficie. Se ci fosse uno strato singolo di molecole su quest'interfaccia, e si rimuovesse improvvisamente tutto insieme, avremmo rimosso soltanto 0.002 grammi di materiale organico. Poiché alimentare con un cucchiaino di mysis una vasca introdurrà una quantità di organici diverse migliaia di volte maggiore di questa misura, ecco spiegato il perchè venga richiesto generare una grande superficie d'interfaccia aria/acqua.
Come generare superficie d'interfaccia aria/acqua
Il fattore essenziale nei recenti miglioramenti degli schiumatoi è stato lo sviluppo di sistemi migliori per generare grandi superfici di interfaccia aria/acqua. Schiumatoi a iniezione dall'alto e con girante a spazzola sono fondamentalmente progettati con lo scopo di aumentare quest'interfaccia. Ogni processo che fraziona acqua e aria in piccole bolle funzinerà. In termini di bolle d'aria in acqua, più piccole sono le bolle, più grande la superficie di scambio generata: infatti, per una sfera, la superficie aumenta con il quadrato del raggio, mentre il volume con il cubo (A=4*pi*r^2, V= (4/3)*pi*r^4). In conseguenza di ciò, una bolla di un millimetro di diametro contiene 0.52 mm3 d'aria e ha una superficie di 3.1 mm2. Alternativamente, con 1000 bolle di 0.1 mm di diametro, il volume d'aria contenuto è ancora 0.52 mm3, ma la superficie totale aumenta a 31 mm2.
In pratica, il limite inferiore di dimensioni per una bolla viene raggiunto quando questa non riesce a risalire per effetto della spinta di Archimede all'interno della colonna di contatto fino al bicchiere di raccolta. Questa problematica è facile da notare in una vasca marina: muovere un oggetto attraverso l'acqua produrrà bolle grandi che risaliranno rapidamente in superficie, e bolle più piccole molto più lente a risalire. Una bolla sufficientemente piccola può impiegare ore per risalire in cima ad un bicchiere di raccolta. Un'analogia è la polvere nel vento: grandi oggetti (pietre, ecc.) cadono velocemente nell'aria, ma la polvere sottile può rimanere sospesa per giorni. Progettare uno skimmer è perciò trovare un compromesso tra le dimensioni delle bolle ed il tempo di raccolta della schiuma. L'unica alternativa per avvantaggiarsi è aumentare il numero delle bolle generate.
Come considerazione accademica, non è necessario generare l'interfaccia aria/acqua necessariamente con bolle... Gocce d'acqua nell'aria (come accade infatti in alcune parti di alcuni skimmer a iniezione), o anche una superficie piatta rapidamente ribaltata possono essere altrettanto efficaci. Per ragioni pratiche, perlopiù legate alla raccolta e rimozione di molecole organiche legate all'interfaccia, le bolle d'aria sembrano essere la metodologia migliore.
...continua...
by Randy Holmes-Farley
Trad. di Jorgo
Parte 1 - rev. 1 (scusate l'italiano pessimo e le ripetizioni, purtroppo la letteratura "scientifica" inglese è una tortura da tradurre in un linguaggio per noi gradevole, si accettano tutte le correzioni del caso)
Questo articolo intende dare informazioni dettagliate circa il funzionamento degli schiumatoi negli acquari marini. Poiché gli schiumatoi variano considerevolmente nel design e rappresentano una tecnologia in via di evoluzione, non proveremo a dimostrare quale tipologia sia la migliore; piuttosto, descriveremo alcuni dei principi fisci su cui si basa la schiumazione in maniera più dettagliata rispetto a quanto presentato nei libri hobbistici sull'acquario marino. L'obiettivo più grande è di aiutare gli appassionati a comprendere il funzionamento delle proprie vasche. Se raggiungeremo questo risultato, sarà un successo.
Principi base:
Prima di addentrarci nei dettagli dello schiumatoio, è utile approfondire alcune definizioni chimiche fondamentali.
Idrofobia
Le molecole, come ad esempio le molecole organiche che si trovano nelle vasche marine, sono spesso descritte come idrofobe o idrofile. Idrofobia significa semplicemente "odio dell'acqua" (da idros, acqua, e fobos, paura). Allo stesso modo, idrofilia significa "amore per l'acqua". Esempi di molecole idrofobiche sono il metano, l'azoto, olii, grassi, colesterolo, la maggior parte delle molecole nella benzina, il butano (gas degli accendini), l'etere, alcune vitamine (A, D, E, K) e la maggior parte dei refrigeranti (clorofluorocarburi - CFC). Queste molecole non si mescolano ne sciolgono in acqua in alcuna percentuale. Esempi di molecole idrofile sono l'acqua, il sale da cucina (NaCl), il saccarosio (zucchero da cucina), l'alcol etilico, l'acido glicolico, la glicerina, il glucosio, l'ammoniaca, la maggior parte degli amminoacidi (ad esempio la glicina), alcune vitamine (B6, B12, C, Biotina, Niacina) e praticamente tutti i composti inorganici (ndr - http://it.wikipedia.org/wiki/Composto_inorganico ). Queste molecole sono tutte solubili in acqua più che in olio. C'è infatti un elenco senza discontinuità di molecole dalla più idrofoba alla più idrofila, perciò raramente si può dire che una molecola sia completamente idrofila o idrofoba. Alcune molecole che cadono al centro di questa classificazione sono la formaldeide, l'aspirina (acido acetilsalicilico), i fenoli, l'alcool isopropilico e l'acetone. Alcune molecole molto grandi possono avere porzioni idrofile e porzioni idrofobe. Gli acidi grassi, molte proteine, saponi e detergenti, e una gran varietà di molecole biologiche cadono in questa categoria. Esse sono spesso chiamate anfipatiche o anfifiliche.
Schiumazione
Come più o meno tutti sappiamo, lo schiumatoio funziona generando una grande superficie di interfaccia aria/acqua. Tutti gli schiumatoi commerciali ottengono questo effetto mediante la sospensione in acqua di bolle d'aria - anche se il confine tra bolle d'aria in acqua e gocce d'acqua in aria è labile in alcuni schiumatoi a iniezione dall'alto. Altre configurazioni, ad esempio superfici piatte, sono possibili. Le molecole organiche, idrofobe o anfipatiche, si raccoglieranno su quest'interfaccia per ragioni che andremo a spiegare più avanti. La patina oleosa che si vede galleggiare sull'acqua è un perfetto esempio di questo raccogliersi sull'interfaccia aria/acqua. Quando le bolle in uno skimmer cominciano a raccogliersi per effetto della spinta che ricevono verso l'alto, e quindi verso il bicchiere di raccolta, esse cominciano ad interagire e a formare una schiuma. La schiuma si forma quado le bolle sono molto vicine l'una all'altra e l'acqua trattenuta tra esse può scolare. Più acqua scola, più la schiuma risulterà secca.
Il prodotto finale, la schiuma secca, che contiene ancora un po' d'acqua insieme alle molecole organiche, può essere raccolto e gettato.
Per ottenere la massima efficenza da uno skimmer devono essere rispettate le seguenti condizioni:
1. Deve essere generata una grande interfaccia aria/acqua.
2. Le molecole organiche devono essere trasportate verso la suddetta interfaccia e/o deve essere permesso loro di raccogliervisi.
3. Le bolle che formano quest'interfaccia devono potersi avvicinare per formare una schiuma.
4. L'acqua tra le bolle deve poter scolare senza che le bolle si rompano.
5. La schiuma deve essere raccolta separatamente dal volume d'acqua della vasca e gettata via.
Qualsiasi cosa che influisce sulla schiumazione deve avere un effetto su uno di questi punti.
Proveremo a spiegare ognuno di questi requisiti, e cosa può compromettere la loro efficenza.
1. Interfaccia aria/acqua
Perché è richiesta una grande superficie di scambio? La questione ci porta alle radici del perché le molecole organiche si raccolgono su quest'interfaccia. La ragione fondamentale è che l'interazione tra due molecole d'acqua è molto più forte di quella tra una molecola d'acqua e una molecola organica idrofoba, come l'olio. L'acqua crea dei legami idrogeni (ndr - http://it.wikipedia.org/wiki/Legame_a_idrogeno ) con le altre molecole d'acqua e con certe molecole idrofile, ma non con l'olio. Quest'interazione tra molecole d'acqua è molto forte, e ha un grande impatto sulle proprietà dell'acqua stessa. Pertanto, se una molecola d'olio viene "affondata" nell'acqua, sostanzialmente si fa strada tra le molecole d'acqua che vogliono interagire tra loro. Mandare l'olio verso la superficie e fuori da essa elimina questa interferenza, poiché le molecole d'acqua in superficie non hanno nulla al di sopra di loro con cui formare legami idrogeni (l'aria non va bene, è troppo rarefatta e perciò c'è poco con cui interagire). Questo è chiamato effetto idrofobico, nonostante in realtà sia causato dai legami idrogeni, e non dalla molecola idrofoba.
Se la molecola idrofoba in esame è l'olio, tutte le molecole d'olio mandate in superficie possono unirsi e formare uno strato d'olio, come si nota miscelando olio d'oliva e acqua.
Se invece si parla di molecole anfipatiche, la loro porzione idrofila tenderà comunque a interagire con l'acqua (poiché questa parte della molecola può formare legami idrogeni o altri forti legami con l'acqua). Perciò il meglio che queste molecole possono fare è lasciare uscire la loro porzione idrofoba fuori dall'acqua, mantenendo il gruppo idrofilo in contatto con l'acqua.
In pratica, la maggior parte delle molecole organiche dissolte in una vasca marina saranno anfipatiche, ed il grosso delle restanti idrofile. Ci saranno relativamente poche molecole puramente idrofobe (come il grasso) nella vasca. La maggior parte delle molecole molto idrofile non saranno rimosse dallo skimmer, quindi comprendere come le molecole anfipatiche reagiscono in uno schiumatoio è la chiave per capire il funzionamento della schiumazione.
Una ragione per la quale gli skimmer sono spesso chiamati "schiumatoi di proteine" è che la maggior parte delle proteine sono anfipatiche. Spesso hanno una superficie esterna di amminoacidi idrofili ed un interno di AA idrofobi. Quando sono disciolte in acqua, solo l'esterno idrofilo è a contatto con le molecole di essa. Quando vengono messe in contatto con l'interfaccia acqua/aria (o con qualcosa di idrofobo) le proteine cambiano forma e presentano la porzione idrofoba all'interfaccia. In questo modo sono prontamente attratte e aderiscono all'interfaccia stessa.
A presto con il (lungo) seguito...
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...parte del seguito...
Quanto viene trattenuto in superficie?
Insomma, cosa significa tutto questo per uno skimmer? Significa che solo un singolo strato di molecole anfipatiche può formarsi sull'interfaccia aria/acqua. In altre parole, un solo film di molecole può formarsi sulla superficie aria/acqua, che avranno le proprie "code" idrofile in acqua e le proprie "teste" idrofobe esposte all'aria. Sfortunatamente per gli acquariofili marini, un singolo strato è praticamente niente... un singolo strato di sapone comprende circa 5x10^14 molecole per centimetro quadro, che corrisponde a circa 0.0025 g/m2. Per estrarre un grammo di sapone in uno strato singolo, si dovrebbero considerare circa 400mq di superficie. Determinati fattori possono cambiare significativamente questi numeri, ma in generale queste sono le ragioni per cui abbiamo bisogno di generare una superficie di scambio molto estesa. Un punto di vista interessante è guardare alla superficie di una vasca tipica. Una vasca 120*60 ha 0,72m2 di superficie. Se ci fosse uno strato singolo di molecole su quest'interfaccia, e si rimuovesse improvvisamente tutto insieme, avremmo rimosso soltanto 0.002 grammi di materiale organico. Poiché alimentare con un cucchiaino di mysis una vasca introdurrà una quantità di organici diverse migliaia di volte maggiore di questa misura, ecco spiegato il perchè venga richiesto generare una grande superficie d'interfaccia aria/acqua.
Come generare superficie d'interfaccia aria/acqua
Il fattore essenziale nei recenti miglioramenti degli schiumatoi è stato lo sviluppo di sistemi migliori per generare grandi superfici di interfaccia aria/acqua. Schiumatoi a iniezione dall'alto e con girante a spazzola sono fondamentalmente progettati con lo scopo di aumentare quest'interfaccia. Ogni processo che fraziona acqua e aria in piccole bolle funzinerà. In termini di bolle d'aria in acqua, più piccole sono le bolle, più grande la superficie di scambio generata: infatti, per una sfera, la superficie aumenta con il quadrato del raggio, mentre il volume con il cubo (A=4*pi*r^2, V= (4/3)*pi*r^4). In conseguenza di ciò, una bolla di un millimetro di diametro contiene 0.52 mm3 d'aria e ha una superficie di 3.1 mm2. Alternativamente, con 1000 bolle di 0.1 mm di diametro, il volume d'aria contenuto è ancora 0.52 mm3, ma la superficie totale aumenta a 31 mm2.
In pratica, il limite inferiore di dimensioni per una bolla viene raggiunto quando questa non riesce a risalire per effetto della spinta di Archimede all'interno della colonna di contatto fino al bicchiere di raccolta. Questa problematica è facile da notare in una vasca marina: muovere un oggetto attraverso l'acqua produrrà bolle grandi che risaliranno rapidamente in superficie, e bolle più piccole molto più lente a risalire. Una bolla sufficientemente piccola può impiegare ore per risalire in cima ad un bicchiere di raccolta. Un'analogia è la polvere nel vento: grandi oggetti (pietre, ecc.) cadono velocemente nell'aria, ma la polvere sottile può rimanere sospesa per giorni. Progettare uno skimmer è perciò trovare un compromesso tra le dimensioni delle bolle ed il tempo di raccolta della schiuma. L'unica alternativa per avvantaggiarsi è aumentare il numero delle bolle generate.
Come considerazione accademica, non è necessario generare l'interfaccia aria/acqua necessariamente con bolle... Gocce d'acqua nell'aria (come accade infatti in alcune parti di alcuni skimmer a iniezione), o anche una superficie piatta rapidamente ribaltata possono essere altrettanto efficaci. Per ragioni pratiche, perlopiù legate alla raccolta e rimozione di molecole organiche legate all'interfaccia, le bolle d'aria sembrano essere la metodologia migliore.
...continua...