Eliminación de proteínas por espumación en acuicultura y acuariofilia
La eliminación de proteínas mediante espumación, o fraccionamiento de espuma (foam fractionation), es un proceso de separación basado en la concentración de compuestos presentes en el agua en la interfaz aire/agua. Ampliamente utilizado en acuariofilia marina, también encuentra aplicaciones en criaderos, sistemas de recirculación en acuicultura (RAS), acuarios públicos y determinados procesos de tratamiento de agua en acuicultura. Su interés va mucho más allá de la eliminación de las «proteínas»: se trata de un proceso interfacial cuyo rendimiento depende de la composición del agua, de la superficie de burbujas disponible y de la hidrodinámica del contactor.
AQUACULTURE France trabaja constantemente en la innovación de esta tecnología, que ofrece ventajas técnicas significativas y difíciles de igualar:
- Mejora de la filtración mecánica
- Reducción de la carga sobre la biofiltración, eliminando casi un tercio de la carga orgánica
- Mejora de los intercambios gaseosos, incluida la eliminación de CO₂ y la oxigenación
- Posibilidad de esterilizar el agua mediante la incorporación de una ozonización controlada
1. ¿Por qué utilizar un espumador en el agua de cultivo o de un acuario?
En un sistema intensivo, el alimento suministrado constituye la principal entrada de materia orgánica. Una parte se transforma en biomasa, otra se excreta en forma disuelta o particulada, y una fracción es metabolizada por los microorganismos. El tratamiento mecánico elimina principalmente las partículas; el biofiltro transforma principalmente los compuestos nitrogenados; y la desgasificación controla, entre otros parámetros, el CO₂. El espumador actúa sobre otra fracción: la materia orgánica disuelta o coloidal que presenta una afinidad suficiente por la interfaz aire/agua.
2. El principio fisicoquímico: crear una gran interfaz aire/agua
Una burbuja de aire sumergida constituye una interfaz entre una fase gaseosa y una fase acuosa. Algunas moléculas disueltas son anfifílicas: contienen grupos hidrófilos y partes más hidrófobas. Su presencia en la interfaz reduce localmente la energía interfacial y favorece su adsorción sobre la superficie de las burbujas.
Cuando las burbujas ascienden, transportan así una parte de los compuestos adsorbidos hacia la parte superior del contactor. La acumulación de numerosas burbujas produce una fase espumosa. Esta espuma puede estabilizarse, concentrarse y posteriormente evacuarse hacia un vaso colector o un dispositivo de recuperación.
3. Tensión superficial y energía interfacial
La tensión superficial γ caracteriza la energía necesaria para aumentar el área de una interfaz. Se expresa en N/m. En el agua, su valor es elevado en comparación con el de numerosos líquidos orgánicos, debido a las interacciones entre las moléculas de agua. Las sustancias tensioactivas modifican esta interfaz y, en consecuencia, pueden modificar el tamaño, la estabilidad y la coalescencia de las burbujas.
No obstante, la tensión superficial no debe interpretarse de forma aislada. En un espumador real, la composición de la película interfacial, la viscosidad local, los tensioactivos biológicos, la salinidad, la temperatura y la distribución de tamaños de las burbujas interactúan simultáneamente.
4. ¿Por qué son interesantes las burbujas pequeñas?
Para una burbuja esférica de radio r, la superficie y el volumen son respectivamente:
S = 4πr² ; V = (4/3)πr³ ; S/V = 3/r
Por tanto, la relación superficie/volumen aumenta cuando disminuye el radio. Para un volumen de aire constante, una población de burbujas pequeñas ofrece una superficie interfacial total mucho mayor que un número reducido de burbujas grandes. Esta relación explica el interés de la generación de microburbujas.
Sin embargo, esto no significa que deba buscarse siempre la burbuja más pequeña posible: las pérdidas de carga, el consumo energético, la estabilidad hidrodinámica, la coalescencia y la calidad de la espuma imponen un punto óptimo.
5. Formación, ascenso y coalescencia de las burbujas
Una burbuja no es un objeto estático. Su diámetro puede evolucionar durante su ascenso, especialmente debido a la coalescencia con otras burbujas o a la transferencia de gas entre ellas. La velocidad de ascenso depende del diámetro, la forma, la viscosidad y la densidad del medio. La presencia de materia orgánica en la interfaz puede ralentizar la coalescencia y modificar la movilidad de la interfaz.
En un espumador, por tanto, el objetivo no consiste simplemente en producir burbujas: es necesario generar una población de burbujas suficientemente fina y estable, mantener una buena distribución en la columna de contacto y favorecer el transporte de las materias adsorbidas hacia la zona de recogida.
6. ¿Qué compuestos se eliminan realmente?
La expresión «espumador de proteínas» es históricamente práctica, pero científicamente reductora. Los compuestos que pueden ser fraccionados incluyen proteínas, péptidos, lípidos asociados a coloides, ácidos húmicos, pigmentos, determinados compuestos poliméricos extracelulares microbianos (EPS) y diversas moléculas orgánicas con afinidad por la interfaz. La fracción efectivamente eliminada depende de su química y de su estado físico en el agua.
7. Carbono orgánico y materia orgánica: atención a las definiciones
El carbono orgánico disuelto (COD) no constituye una categoría homogénea desde el punto de vista de la espumación. Dos aguas que presenten la misma concentración total de COD pueden comportarse de manera muy diferente si sus compuestos presentan propiedades interfaciales distintas. Una fracción hidrófila y poco tensioactiva puede ser difícil de extraer mediante espumación, mientras que una fracción coloidal puede concentrarse con mayor facilidad.
Nota técnica — AQUACULTURE France: No debería aplicarse una tasa de extracción al COD total sin caracterizar previamente la fracción susceptible de ser eliminada mediante espumación. Los balances de materia deben distinguir entre la materia orgánica total, la fracción disuelta y la fracción realmente fraccionable.
8. Influencia de la salinidad
El agua de mar y el agua dulce no se comportan de la misma manera en un espumador. La salinidad modifica las propiedades del medio y la estabilidad de las interfaces. Las aguas marinas son más favorables para la formación de una espuma estable, lo que explica la amplia difusión de esta tecnología en la acuariofilia marina.
En agua dulce, la espuma puede ser menos estable. Esto no significa que la espumación sea imposible: puede ser eficaz cuando la carga orgánica y el diseño del espumador son adecuados. El asesoramiento de una oficina de ingeniería especializada resulta esencial para evaluar la pertinencia de la tecnología y de la inversión.
9. Tiempo de contacto e hidrodinámica
El tiempo de residencia hidráulica es un parámetro importante, pero no es suficiente para predecir el rendimiento.
Algunos fabricantes de espumadores anuncian rendimientos excepcionales porque consideran que unos elevados caudales de agua y aire garantizan una eficiencia óptima. Esta visión es incorrecta porque reduce el análisis a criterios estrictamente mecánicos, basados esencialmente en la potencia eléctrica de las bombas que comercializan.
Por lo tanto, es necesario considerar no solo el caudal de agua y el caudal de aire, sino también, y sobre todo, la altura útil de contacto, la sección del reactor, la distribución de las burbujas, las posibles zonas muertas, la recirculación interna, la velocidad superficial y la capacidad del dispositivo para evacuar la espuma.
10. Venturi, difusores y sistemas air-lift
Los sistemas Venturi utilizan una depresión local creada por la aceleración del agua para aspirar aire. Pueden generar una mezcla aire/agua muy fina, pero a costa de pérdidas de carga y de una potencia de bombeo que debe integrarse en el balance energético global.
Los difusores producen burbujas mediante nucleación en los poros. Su comportamiento depende del material, del diámetro de los poros, del caudal de aire, de la profundidad de funcionamiento y del estado de la superficie. Los sistemas air-lift utilizan la diferencia de densidad entre el agua y la mezcla aire/agua para generar la circulación.
11. Espumación y ozono
La combinación de ozono y espumación resulta especialmente interesante en instalaciones de acuariofilia y en sistemas de acuicultura marina. El ozono puede oxidar determinadas moléculas orgánicas y modificar su comportamiento; paralelamente, el espumador puede actuar como contactor gas/agua y contribuir a la eliminación de una parte de los compuestos oxidados o de los productos de reacción.
Esta combinación requiere un control preciso de la transferencia de ozono, de la seguridad relacionada con los gases, del ORP y, en agua de mar, de los subproductos bromados.
Nota importante — El ozono no debe inyectarse en un sistema de espumación sin analizar el riesgo de liberación de ozono residual y sin disponer de un sistema adecuado de desgasificación/destrucción. El dimensionamiento del contactor y el del tratamiento de gases deben considerarse como un único sistema integrado.
12. Espumación y biofiltración MBBR
El biofiltro MBBR transforma principalmente los compuestos nitrogenados y también produce materia orgánica microbiana, especialmente en forma de biomasa y EPS. El espumador puede reducir una parte de los precursores orgánicos que entran en el biofiltro y modificar la disponibilidad de carbono para las comunidades heterótrofas. Por ello, es preferible no poner en funcionamiento el espumador durante la fase inicial de puesta en marcha de un biofiltro.
En un RAS, no se debe considerar cada equipo de forma aislada. La eliminación de materia orgánica mediante espumación puede modificar el funcionamiento del biofiltro, la demanda de oxígeno y la dinámica de producción de lodos.
En promedio, un espumador correctamente dimensionado puede reducir la carga sobre la biofiltración entre un 25 y un 50 %.
13. Espumación y filtración mecánica
Un espumador no sustituye a una filtración mecánica correctamente dimensionada. Las partículas de mayor tamaño deben capturarse antes de que se fragmenten y se solubilicen. Una estrategia eficaz combina generalmente la separación de sólidos, el fraccionamiento de la materia disuelta/coloidal y el tratamiento biológico.
En promedio, un espumador correctamente dimensionado puede reducir la carga sobre la filtración mecánica entre un 15 y un 25 %. La acción del espumador es beneficiosa porque su mecanismo de separación es diferente del de un filtro convencional de partículas.
14. ¿Cuándo se vuelve contraproducente la espumación?
Una espumación excesivamente agresiva puede eliminar compuestos útiles o necesarios para el sistema, aumentar el consumo energético y generar inestabilidad operativa. En los acuarios de arrecife, la búsqueda de un agua extremadamente pobre en materia orgánica no siempre es deseable. En la acuicultura larvaria, la situación depende aún más de los organismos cultivados y de su régimen alimentario.
La espumación es un proceso de separación interfacial. Su eficacia se basa en la capacidad de determinadas moléculas para adsorberse sobre una población de burbujas y posteriormente concentrarse en una espuma que pueda ser evacuada. La superficie interfacial, la distribución de tamaños de las burbujas, la estabilidad de la interfaz, la composición del agua y la hidrodinámica del contactor son factores inseparables.