ESPUMADORES

Por Ángel Morales 

(Químico y Socio de la Asociación Española de Acuariófilos).

  INTRODUCCIÓN.

 Los espumadores de proteínas o separadores de urea (protein skimmers en inglés) son unos dispositivos que actualmente se consideran imprescindibles en el mantenimiento de un acuario de arrecife. Las dos principales cualidades que les hacen ser tan populares son: la eliminación de materia orgánica del agua antes de que sea metabolizada y la oxigenación del agua. Esta materia orgánica está formada principalmente por aminoácidos, proteínas, ácidos grasos, fenoles, aminasas, etc. Sin el uso de los espumadores, la mayoria se metaboliza por la flora bacteriana del acuario (para dar principalmente nitratos, fosfatos y dióxido de carbono) pero otros compuestos más complejos, como los fenoles, no se metaboliza y se acumulan en el agua hasta concentraciones tóxicas.

 

Los espumadores de proteínas son una modificación de los sistemas de eliminación o separación de partículas en suspensión mediante flotación empleados desde 1890. Este método de separación de partículas sólidas o líquidas (aceites, petróleo, minerales) se basa en la distinta capacidad que poseen las partículas para ser mojadas por el agua. Se establecen dos tipos diferentes de flotación:

-          Flotación natural que se produce cuando la densidad de las partículas a separar es menor que la del agua (mezcla aceite-agua).

-          Flotación provocada cuando se produce una fijación artificial de partículas de aire u otro gas a su superficie para hacer su densidad menor que la del agua. 

 

En nuestros acuarios tenemos claros ejemplos de estos dos procesos de flotación. Todos hemos visto alguna vez en la superficie del agua una capa brillante de aspecto grasiento que se produce en los acuarios con poco movimiento superficial del agua. Esta capa está formada por sustancias orgánicas que provienen de los alimentos aportados a los peces y a productos resultantes de la degradación bacteriana de las sustancias excretadas por la población del acuario. Estos compuestos, al ser menos densos que el agua, se acumulan por flotación natural en la superficie del agua cuando no existen turbulencias. En otras ocasiones, cuando tenemos un difusor para airear el agua, hemos apreciado que se forma espuma y se acumula en el rincón donde se encuentra el difusor. Esta espuma está formada por las mismas sustancias químicas que forman la película superficial antes citada y que se concentran debido a la acción aglomerante que provocan las burbujas de aire.

 

 

FUNDAMENTOS.

 

El principio fundamental de funcionamiento de un espumador de proteínas es la flotación provocada de la materia orgánica disuelta y las partículas en suspensión y su recogida en una cámara colectora para su retirada. Para provocar esta flotación artificial se inyectan burbujas de aire en el agua mediante un difusor o un dispositivo tipo venturi como veremos más adelante.

 

Tensión superficial.

 

Para que este proceso se pueda llevar a cabo es necesario que las sustancias orgánicas o las partículas tengan una mayor afinidad para unirse a las burbujas de aire que al agua, de manera que la corriente de aire sea capaz de arrastrarlas hasta la parte superior del espumador. Las sustancias que tengan mayor afinidad al aire que al agua se eliminarán. Esta afinidad viene dada por la tensión superficial del agua que es la tensión que presenta una superficie líquida en contacto con la atmósfera o su vapor, es decir una fase gaseosa. Las moléculas en el interior del líquido están sometidas a unas fuerzas de atracción simétricas, esto es, iguales en todas las direcciones, mientras que las de su superficie están sujetas a una atracción hacia el interior, ya que las fuerzas intensas, que sobre ellas ejercen las moléculas vecinas del líquido no están compensadas por las débiles fuerzas que ejercen las moléculas de la fase gaseosa. Así pues, sobre todas las moléculas de la superficie del líquido actuará una fuerza dirigida hacia el interior del mismo, lo que hace que esta superficie se comporte como una membrana elástica que tiende a comprimir el volumen del líquido, de manera que la relación superficie volumen sea mínima. Por este motivo, las gotas de un líquido en contacto con un gas son esféricas, ya que la esfera es la figura geométrica en la que la relación superficie volumen es mínima.

 

Sustancias hidrófilas e hidrófobas.

 

Al añadir sustancias orgánicas al agua, la interacción entre las moléculas de agua en el volumen de la solución es mayor que la interacción entre las moléculas de agua y las moléculas orgánicas, por lo que tienden a ser expulsadas del seno de la disolución hacia su superficie, disminuyendo la tensión superficial.

 

En el caso de los iones provenientes de las sales inorgánicas, el proceso es el contrario. La interacción entre las moléculas de agua y los iones es mayor que entre las moléculas de agua entre sí, por lo que aumenta la tensión superficial de la solución. Este hecho como veremos más adelante es muy importante para que se produzca una buena separación de proteínas en el espumador. El agua de mar, al tener una elevada cantidad de sales minerales disueltas, presenta una tensión superficial mayor que el agua dulce, lo que hace que para una misma presión de salida de aire, las burbujas producidas sean de menor tamaño en agua salada que en agua dulce.

 

El agua, cuya composición química es H₂O como todos sabemos, tiene una particularidad que le hace ser tan especial: es polar. Esto significa que la carga eléctrica dentro de la molécula no es homogénea y se encuentra desplazada como se aprecia en la figura 1.

  

 

Figura 1: Polaridad de la molécula de agua.

 

 

 

Las moléculas de agua van a tener una mayor afinidad hacia las sustancias polares, lo que facilita la disolución de las sales minerales, al disociarse éstas en iones positivos y negativos. Las diferentes moléculas presentes en el agua se pueden clasificar en hidrófilas e hidrófobas dependiendo de su polaridad. Las moléculas polares son hidrófilas como: los hidratos de carbono (azucares), etanol, etilénglicol, glicerina, algunas vitaminas (B6, B12, biotina, niacina) y la mayoría de compuestos inorgánicos. Las moléculas apolares son hidrófobas como las grasas, hidrocarburos y algunas vitaminas (A, D, E, K). 

 

Sin embargo, las moléculas orgánicas más complejas como aminoácidos, proteínas, aldehídos, cetonas, ácidos grasos y detergentes presentan una parte hidrófoba y otra parte hidrófila como se aprecia en la figura 2. 

 

 Figura 2: formulación general de un aminoácido y una proteína.

 

En los aminoácidos y proteínas, el grupo ácido COOH es muy polar, mientras que los radicales alquilo R y R’ son apolares. La parte polar va tener una elevada afinidad hacia el agua y se denomina hidrófila y la parte apolar va a tener muy poca afinidad hacia el agua y se denomina hidrófoba. Este carácter mixto de estas moléculas hace muy útiles los espumadores de proteínas, pues la parte hidrófoba de la molécula se va a situar en la burbuja de aire y la parte hidrófila en el agua. 

 

FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE UN ESPUMADOR.

 

El funcionamiento del espumador de la figura 3 es muy sencillo. Mediante un compresor se inyecta aire a través de un difusor en el cilindro de reacción. Como la mezcla aire-agua en el reactor es menos densa que el agua, dicha mezcla tiende a subir hasta la superficie saliendo por la parte superior del reactor. Por la parte inferior del reactor entra agua para compensar este desplazamiento de la mezcla aire-agua. De esta forma se establece una circulación de agua que alimenta el reactor del espumador. 

 

La espuma que se va formando dentro del reactor se encuentra con un estrechamiento (generalmente en forma de embudo invertido) durante su ascensión hacia la cámara colectora, lo que facilita la eliminación de agua.

 

 

Figura 3: esquema de un espumador sencillo.

 

 

 

 

 

Las burbujas de aire, durante su recorrido en la cámara de reacción, se rodean de sustancias orgánicas con la parte apolar pegada a la burbuja. Al llegar las burbujas a la superficie comienzan a juntarse formando una espuma en la superficie del agua dentro del reactor. Esta espuma esta formada por agua y las partículas y sustancias orgánicas recogidas en el trayecto por cada burbuja. 

 

Según va aumentando la cantidad de espuma, ésta va ascendiendo por el interior del tubo, perdiendo agua y se va concentrando hasta superar el nivel superior de la cámara de reacción pasando a la cámara colectora. Este hecho se puede apreciar claramente viendo un espumador bien ajustado en funcionamiento. La espuma en la parte en contacto con el agua es blanca pues posee una gran cantidad de agua. En la parte superior, a punto de desbordar en la cámara colectora, la espuma es más oscura, mientras que el producto final recogido es pardo oscuro, al haber perdido la mayor parte del agua.

 

Uno de los principales problemas durante la espumación es la estabilidad de la espuma para lo que es necesario que se aglomeren las burbujas de aire, rodeadas de agua y materia orgánica. Las burbujas son estables debido a dos fuerzas opuestas que se contrarrestan. Por un lado, la tensión superficial de la película de agua tiende a que la burbuja se rompa y por el otro lado, la película de compuestos orgánicos hidrófobos tienden a salir de la interfase aire-agua de la burbuja, reduciendo la tensión superficial. Es el mismo mecanismo por el que es posible formar pompas de jabón. 

 

En condiciones normales estas dos fuerzas opuestas se equilibran resultando en la formación de una espuma estable que según va ascendiendo hacia la cámara colectora va eliminando agua, obteniéndose finalmente un líquido viscoso y oscuro. Este proceso, como se comentará más adelante, se puede ver afectado por determinados aditivos, de forma que la espuma puede resultar inestable y el proceso se hace más lento o incluso se detiene, o por el contrario, puede formar una espuma tan estable que alcanza la cámara colectora sin dar tiempo a eliminar el exceso de agua. 

 

El diseño de la cámara colectora es muy importante para potenciar la estabilidad de la espuma y permitir un adecuado drenado del exceso de agua. Se han optimizado la longitud y la forma del tubo ascendente de la cámara colectora, de forma que la espuma húmeda que se va formando, impulsa a la espuma ya formada hacia la cámara colectora de manera lenta y continua, impidiendo que vuelva a la columna de aire-agua del espumador y favoreciendo la eliminación de gran parte del agua residual.

 

En este punto surge una nueva polémica en la forma de uso de los espumadores. Algunos autores postulan que al obtener una espuma densa se reduce el rendimiento del espumador, porque eliminando gran parte del agua, la materia orgánica que permanece disuelta vuelve al acuario. Por lo tanto, recomiendan ajustar los espumadores de forma que el producto final recogido sea más líquido y claro. Desde mi punto de vista, esta afirmación no es válida pues cuestiona el fundamento de los espumadores. Como hemos visto la materia orgánica hidrófoba que se elimina por los espumadores tiende a ser expulsada del agua hacia su interfase con el aire, ya sea en las burbujas del espumador o a la superficie del acuario, mientras que las moléculas orgánicas hidrófilas y por tanto solubles en agua no se pueden eliminar por los espumadores. De esta manera en la espuma que se forma en el espumador y que va perdiendo agua antes de ser eliminada, habrá muy poca materia orgánica soluble en agua.

 

Parámetros fundamentales.

 

El funcionamiento de un espumador va a depender de cuatro parámetros fundamentales, íntimamente ligados entre sí:

 

Tamaño de burbuja. Para una misma cantidad de aire inyectado, la superficie de contacto aire-agua va a ser mayor cuanto menor sea el diámetro de la burbuja, por lo que se va a poder fijar mayor cantidad de sustancias orgánicas a las burbujas. Una burbuja de 1 mm de diámetro tiene un área de 3,1 mm² y un volumen de 0,52 mm³, que es el volumen de 1000 burbujas de 0,1 mm de diámetro, que presentan un área de 31 mm². Como se puede apreciar en este ejemplo, utilizando burbujas más pequeñas se obtiene una superficie de contacto mucho mayor para igual volumen de aire.

 

 Por otro lado, la velocidad de ascensión de las burbujas es menor al disminuir el tamaño de éstas, por lo que el tiempo de contacto es también mayor. El agua de mar, al tener una elevada cantidad de sales minerales disueltas, presenta una tensión superficial mayor que el agua dulce, lo que hace que para una misma presión de salida de aire, las burbujas producidas sean de menor tamaño en agua salada que en agua dulce. Por este motivo los espumadores apenas funcionan en agua dulce debido al elevado tamaño de las burbujas. 

 

Flujo y presión del aire. Cuanto mayor sea el flujo de aire, mayor cantidad de burbujas se van a formar, por lo que se favorece el proceso. Al aumentar la presión del aire de entrada, las burbujas van a ser menores, lo que resulta beneficioso para el proceso.

 

Flujo de agua. Al aumentar el flujo de agua que entra en el reactor, se aumenta la posibilidad de que una burbuja encuentre una partícula o molécula orgánica en su camino de ascensión, por lo que se favorece el proceso.

 

Tiempo de contacto. El tiempo de contacto es el tiempo medio que permanece una burbuja en el interior del reactor y está ligado a los tres parámetros anteriores. Cuanto mayor sea el tiempo de contacto, mayor rendimiento tendrá el espumador pues cada burbuja podrá recoger más materia orgánica en su trayecto. Como hemos visto anteriormente, una burbuja pequeña tiene una velocidad ascensional menor, por lo que el tiempo de reacción es mayor. Para una misma cantidad de aire inyectada en el reactor, el tiempo de contacto aumentará cuanto mayor sea la presión del aire porque se reduce el tamaño de la burbuja. El flujo de agua puede aumentar o disminuir el tiempo de contacto en función del diseño del espumador. En los espumadores en los que los flujos de aire y agua tienen el mismo sentido, un aumento del flujo de agua disminuye el tiempo de contacto. En los espumadores denominados contracorriente, en los que ambos flujos son opuestos, un aumento del flujo de agua produce un aumento del tiempo de contacto. Por último, cuanto más alto sea el espumador, mayor es el tiempo de contacto pues la cámara de reacción es más larga.

 

Rendimiento de un espumador.

 

Si analizamos la expresión física de la velocidad de espumación de un separador de urea, definida como la variación de la concentración de la materia a eliminar con respecto al tiempo de tratamiento, mostrada a continuación:

 

 

donde:

 

C^d_o es la concentración de surfactante en el agua.

t es el tiempo de espumado.

k es el coeficiente de absorción del surfactante en el aire.

G_d es concentración superficial de surfactante.

D es el coeficiente de difusión del surfactante en el medio acuoso.

u_g es la velocidad superficial del aire definida como el flujo de aire dividido por el área de la cámara de contacto.

e_g es una constante propia del gas empleado.

U_f es la velocidad final de las burbujas de aire, relacionado con el tiempo de contacto pues al aumentar éste se reduce la velocidad de las burbujas.

R_b es el radio de la burbuja.

 

El signo negativo indica que la concentración de la materia orgánica contaminante va a disminuir con el tiempo de funcionamiento del espumador.

 

Como se puede apreciar, la eliminación de materia surfactante va a aumentar cuanto mayor sea la cantidad inicial de contaminante (C^d_o), la velocidad superficial del aire aportado al espumador (u_g) y cuanto menor sea el radio de las burbujas inyectadas en la cámara de reacción (R_b) y la velocidad final de las burbujas (U_f). Estos tres últimos parámetros dependen del tipo de espumador utilizado, mientras que el coeficiente de absorción, la concentración superficial de surfactante y el coeficiente de difusión, que también aparecen en la expresión anterior, van a variar para cada compuesto contaminante.

 

Una conclusión muy importante que se obtiene de la ecuación anterior es que la velocidad de eliminación de contaminantes va a depender linealmente de la concentración de éstos, por lo que el rendimiento disminuye según se va limpiando el agua. Una vez alcanzado el equilibrio, un buen espumador elimina los nutrientes a la misma velocidad que éstos entran en el agua. Si se utiliza un espumador débil o mal ajustado, los contaminantes se irán acumulando en el acuario. Por este motivo, es muy importante utilizar un espumador potente que depure convenientemente el agua del acuario, de forma que si con el tiempo se produce una variación considerable de la biomasa, no se produzca una caída en la calidad del agua.

 

Otro factor a tener en cuenta es que sobre la superficie de cada burbuja de aire se forma exclusivamente una monocapa de compuestos orgánicos, de forma que en acuarios con mucha carga orgánica, las burbujas se saturan de orgánicos durante los primeros centímetros de recorrido por la cámara de reacción. A lo largo del resto de su trayectoria ascendente se puede producir una sustitución de unas moléculas orgánicas por otras cuya hidrofobicidad sea mayor. De esta forma, el espumador elimina selectivamente determinados compuestos, dejando en disolución otros. Se eliminarán preferentemente aquellos que sean más hidrofobos y los que tengan un coeficiente de difusión (D) y una constante de adsorción (k) mayores (ver fórmula). Por lo tanto, si se usa un espumador dimensionado por debajo de las necesidades del acuario se pueden ir acumulando determinados compuestos nocivos.

 

Materia eliminada por el espumador.

 

Como hemos visto anteriormente, los espumadores van a eliminar la materia orgánica que se encuentra en el acuario como proteínas, aminoácidos y demás, pero también se eliminan otro tipo de especies químicas. También hemos dicho que la mayoría de los compuestos inorgánicos son muy hidrófilos y no se eliminan con los espumadores, pero ahí interviene la química para complicar el asunto. Como todos sabemos, para abonar el acuario de agua dulce con hierro es necesario añadirlo en forma de quelato para evitar su precipitación como hidróxido. Los quelatos o agentes complejantes como los citratos, el EDTA o el más recomendado EDDHA son compuestos orgánicos que presentan una parte hidrófoba y otra hidrófila que se une íntimamente al átomo de hierro, estabilizándolo en disolución en un amplio rango de pH. El agua de mar tiene un pH mayor que el agua dulce, por lo que los iones metálicos tienen tendencia a precipitar como hidróxidos y para impedirlo los elementos traza metálicos, presentes en el agua de mar, se añaden a las sales sintéticas en forma quelada. Pero como estos elementos traza quelados presentan una parte hidrófoba y otra hidrófila son eliminados por los separadores de urea.

 

Algunos autores postulan que los separadores de urea eliminan los compuestos de yodo tan necesarios para los peces, corales y algas del acuario, pero esto no se ha demostrado. La disminución de los compuestos de yodo en el agua se debe principalmente a procesos metabólicos de los seres vivos.

 

Compuestos inorgánicos como los fosfatos, nitratos y nitritos no se eliminan directamente por los separadores de urea, pero al quitar del agua sus principales precursores (proteínas y aminoácidos) se reduce de forma considerable su concentración en el agua. También se pueden eliminar partículas de carbonato cálcico o magnesio recubiertas de materia orgánica.

 

Por último, los separadores de urea también eliminan partículas en suspensión mediante el fenómeno de flotación. Estas partículas son principalmente detritos, bacterias, etc., pero desgraciadamente para nosotros, también son el zooplancton y fitoplancton necesarios para la alimentación de nuestros invertebrados. Este es el principal argumento por el que hoy en día se cuestiona a los separadores de urea en los acuarios de arrecife. 

 

El asunto del plancton en el acuario marino es más complicado que la simple eliminación de los separadores de urea. El entorno artificial con filtración y fuerte movimiento del agua creado en nuestros acuarios marinos produce la eliminación del plancton en suspensión en el agua, así como las larvas nadadoras de los seres vivos que se encuentran en la roca o arena viva. En primer lugar, tenemos la filtración mecánica realizada a la salida del agua del acuario principal, que inicialmente retiene las partículas más grandes, pero que según se va colmatando, elimina cada vez partículas más pequeñas reteniendo gran cantidad de plancton. En segundo lugar, las bombas centrífugas, empleadas para la circulación del agua, producen también la eliminación de gran parte del plancton debido a la gran turbulencia de la bomba.

 

Para solucionar el problema del plancton, en EEUU se están empezando a montar acuarios de arrecife con arena y roca viva que no emplean espumador, ni filtración mecánica y en los que las corrientes de agua se generan mediante compresores de aire acoplados a chimeneas similares a las empleadas en los filtros de fondo.

 

Acción de determinados aditivos en la separación de proteínas.

 

Los aficionados que ya poseen un espumador de proteínas habrán observado que tras alimentar a los peces se produce una disminución e incluso cesa la formación de espuma. Esto es debido a la materia grasa presente en el alimento.

 

Anteriormente hemos visto que las sustancias hidrófilas no son eliminadas y que las que poseen una parte hidrófila y otra hidrófoba se eliminan en la espuma formada. Pero, ¿qué ocurre con la materia grasa?. Estos compuestos son completamente hidrófobos y desestabilizan la formación de espuma debido a que rompen las burbujas de aire.

 

Una vez que la materia grasa entra en el agua, se acumula rápidamente en el interior del espumador, eliminando el equilibrio entre la tensión superficial del agua y la presencia de sustancias orgánicas. Este proceso es debido a que el aceite se sitúa entre el aire y el agua de la burbuja y desplaza la materia orgánica eliminable a la interfase aceite-agua. La ruptura de la burbuja se produce en el punto de contacto del aire con el aceite. Una vez que la espuma se desestabiliza y cesa el proceso, se alcanza un estado en que la espuma comienza a formarse de nuevo, produciendo la emulsión del aceite en forma de pequeñas gotas que son finalmente eliminadas por el espumador.

 

En el tubo de la cámara colectora, por el que asciende la espuma, se suele acumular materia extraída por el espumador y que se debe limpiar de forma periódica, pues este material suele actuar de la misma forma que la grasa, tendiendo a disminuir la estabilidad de la espuma.

 

El efecto contrario se produce con otro tipo de aditivos denominados surfactantes y que reducen considerablemente la tensión superficial del agua, estabilizando y potenciando la formación de espuma, de manera que la gran cantidad de espuma formada y su rápida ascensión hacia la cámara colectora impide el drenaje adecuado del agua, obteniéndose gran cantidad de espuma muy líquida. Este proceso se produce con determinadas vitaminas, medicamentos, acondicionadores de agua como el Tetra-safe y detergentes. En una ocasión mi sobrino tiró al acuario una toallita húmeda de las usadas para cambiar a los niños, que recogí a los pocos segundos. A la hora más o menos, el espumador había sacado más de tres litros de agua, que habían rebosado la botella de dos litros conectada a la cámara colectora del espumador y se encontraban en el suelo de la habitación.

 

Se ha dicho anteriormente que los separadores de urea funcionan mejor en agua salada que agua dulce debido al menor tamaño de las burbujas de aire en agua de mar por su mayor tensión superficial. Otro factor a añadir es que al ser mayor la tensión superficial, la solubilidad de los compuestos orgánicos en el agua es menor y tienen mayor tendencia a unirse a las burbujas de aire, por lo que se eliminan más fácilmente. Por este motivo, para realizar una espumación adecuada en agua dulce es necesario añadir surfactantes solubles en agua dulce para favorecer la formación de espuma y que ésta sea estable. Todos hemos visto desgraciadamente, la formación de espuma en los ríos fuertemente contaminados por efluentes industriales o urbanos sin necesidad de inyectar aire de forma artificial.

 

Con la adición de surfactantes al agua dulce es posible obtener una espuma muy clarita formada por el aditivo y materia orgánica presente en el agua del acuario. Según he leído en Internet, en EEUU se están empezando a comercializar espumadores especialmente diseñados para su empleo en agua dulce.

 

TIPOS DE ESPUMADORES.

 

Existen principalmente tres tipos de espumadores de proteínas con diversas modificaciones, de los cuales sólo los dos primeros son de uso común en España:

 

Espumadores accionados por aire. En estos espumadores, las burbujas se producen mediante un compresor y un difusor, generalmente de madera porque producen burbujas más finas. 

El diseño más sencillo es el mostrado en la figura 3, en el que el flujo de aire y agua llevan el mismo sentido. Son los menos eficaces debido a que el tiempo de contacto es muy pequeño. Sólo se pueden usar en el interior del acuario, lo que limita el tamaño del mismo. Para aumentar el rendimiento de estos espumadores, se diseñó un sistema para que los flujos de aire y agua fueran opuestos y así aumentar el tiempo de contacto. La entrada del agua se hace por la parte superior de la cámara de reacción mediante una pequeña bomba centrífuga o compresor de aire y sale por la parte inferior de la cámara. Este tipo de espumadores presenta un rendimiento muy superior a los anteriores para igual longitud del dispositivo.