Técnica de fabricación de etiquetas de globos para la recuperación de peces sensores y peces vivos

Resumen

Se presenta un protocolo para el diseño y fabricación de etiquetas de globo para la recuperación de peces sensores y peces vivos, que permite evaluar su condición física y desempeño biológico en estructuras hidráulicas. El método optimiza el rendimiento de la etiqueta del globo teniendo en cuenta factores como el volumen del globo, los tiempos de inflado/desinflado, la selección de componentes y las características del agua inyectada.

Resumen

Los peces pueden sufrir lesiones y mortalidad cuando pasan a través de los medios de transporte hidráulicos en las presas hidroeléctricas, incluso si estos medios de transporte están diseñados para ser amigables con los peces, como los sistemas de derivación aguas abajo, los aliviaderos modificados y las turbinas. Los principales métodos utilizados para estudiar las condiciones de paso de los peces en las estructuras hidráulicas consisten en realizar ensayos directos in situ utilizando la tecnología Sensor Fish y peces vivos. Los datos de los peces sensores ayudan a identificar los factores de estrés físico y sus ubicaciones en el entorno de paso de los peces, mientras que los peces vivos se evalúan para detectar lesiones y mortalidad. Las etiquetas de globo, que son globos autoinflables unidos externamente a Sensor Fish y peces vivos, ayudan en su recuperación después de pasar a través de estructuras hidráulicas.

Este artículo se centra en el desarrollo de etiquetas de globo con un número variable de cápsulas solubles de origen vegetal que contienen una mezcla de ácido oxálico, polvos de bicarbonato de sodio y agua a dos temperaturas diferentes. Nuestra investigación determinó que las etiquetas de balón con tres cápsulas, inyectadas con 5 ml de agua a 18,3 °C, lograron consistentemente el volumen de balón deseado. Estas etiquetas tuvieron un volumen medio de inflado de 114^cm3 con una desviación estándar de 1,2^cm3. Entre las etiquetas de balón inyectadas con agua a 18,3 °C, se observó que las etiquetas de balón de dos cápsulas tardaron más tiempo en alcanzar el inflado completo. Además, las etiquetas de globo de cuatro cápsulas demostraron un tiempo de inicio de inflado más rápido, mientras que las etiquetas de globo de tres cápsulas demostraron un tiempo de inicio de desinflado más rápido. En general, este enfoque demuestra ser eficaz para validar el rendimiento de las nuevas tecnologías, mejorar el diseño de las turbinas y tomar decisiones operativas para mejorar las condiciones de paso de los peces. Sirve como una herramienta valiosa para la investigación y las evaluaciones de campo, ayudando en el refinamiento tanto del diseño como de la operación de las estructuras hidráulicas.

Introducción

La energía hidroeléctrica es un importante recurso de energía renovable en todo el mundo. En los Estados Unidos, la energía hidroeléctrica contribuye aproximadamente con el 38% o 274 TWh de la electricidad generada a partir de fuentes renovables¹ y tiene el potencial de agregar aproximadamente 460 TWh por año². Sin embargo, a medida que aumenta el desarrollo de la energía hidroeléctrica, la preocupación por las lesiones y la mortalidad de los peces durante el paso hidráulico se ha vuelto primordial. Varios mecanismos contribuyen a las lesiones de los peces durante el paso, incluida la descompresión rápida (barotrauma), el esfuerzo cortante, la turbulencia, los golpes, la cavitación y el rechinamiento⁴. Aunque estos mecanismos de lesión pueden no tener un impacto inmediato en la condición general de los peces, pueden hacerlos más vulnerables a enfermedades, infecciones fúngicas, parásitos y^{depredación.} Además, las lesiones físicas directas resultantes de colisiones con turbinas u otras estructuras hidráulicas pueden provocar una mortalidad significativa, lo que enfatiza la importancia de mitigar estos riesgos en el desarrollo de la energía hidroeléctrica.

Uno de los métodos más comunes para evaluar las condiciones de paso de los peces es la liberación de peces sensores y peces vivos a través de estructuras hidráulicas ^6,7. El Sensor Fish es un dispositivo autónomo diseñado para estudiar las condiciones físicas que experimentan los peces durante el paso a través de estructuras hidráulicas, incluyendo turbinas, aliviaderos y alternativas de derivación de presas ^8,9. Equipado con un acelerómetro 3D, un giroscopio 3D, un sensor de temperatura y un sensor de presión⁹, el Sensor Fish proporciona datos valiosos sobre las condiciones de paso de los peces.

Las etiquetas de globo, que son globos autoinflables unidos externamente a Sensor Fish y peces vivos, ayudan en su recuperación después de pasar a través de estructuras hidráulicas. Las etiquetas de los globos consisten en cápsulas solubles llenas de sustancias químicas generadoras de gas (por ejemplo, ácido oxálico y bicarbonato de sodio), un tapón de silicona y un hilo de pescar. Antes del despliegue, se inyecta agua a través del tapón de silicona en el balón. El agua disuelve las cápsulas de origen vegetal, desencadenando una reacción química que produce gas que infla el globo. En esta reacción de neutralización, el bicarbonato de sodio, una base débil, y el ácido oxálico, un ácido débil, reaccionan para formar dióxido de carbono, agua y oxalato de sodio¹⁰. La reacción química se proporciona a continuación:

2NaHCO₃+ H 2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C₂O₄

El globo inflado aumenta la flotabilidad del pez sensor y de los peces vivos, lo que les permite flotar en la superficie del agua para facilitar la recuperación.

El número de etiquetas de globo necesarias para lograr la flotación y facilitar la recuperación de una muestra (por ejemplo, peces sensor o peces vivos) puede variar en función de las características de volumen y masa de la muestra. La duración del inflado de la etiqueta del globo se puede ajustar inyectando agua a diferentes temperaturas. El agua más fría aumentará el tiempo de inflado, mientras que el agua más caliente lo disminuirá. Las etiquetas de globos se han empleado con éxito en varios lugares, incluida la pantalla de agricultores, una estructura única de pantalla horizontal de placa plana para peces y escombros en Hood River, Oregón¹¹, y una turbina Francis en la presa de Nam Ngum en la República Democrática Popular Lao¹². Otro ejemplo de etiqueta de globo disponible comercialmente es la Hi-Z Turb'N Tag^13,14. El Hi-Z Turb'N Tag permite ajustar el tiempo de inflado entre 2 min y 60 min, dependiendo de la temperatura del agua inyectada¹³. Esta tecnología se ha utilizado en estudios de peces en muchos sitios de campo, incluidos estudios que involucran smolts de salmón Chinook liberados en la presa Rocky Reach en el río Columbia y sábalos americanos juveniles en la presa Hadley Falls en el río Connecticut^15,16. Ambas tecnologías utilizan reacciones químicas ácido-base para inflar las etiquetas de los globos para su recuperación.

Este método ofrece rentabilidad y simplicidad en la fabricación, con un costo de material estimado de solo $ 0.50 por globo. Como se describe aquí, el proceso de fabricación es fácil de seguir, lo que hace que la producción de etiquetas de globos sea accesible para cualquier persona.

Protocolo

1. Encapsulación ácido/base

1. Mezcle una proporción de 1:2 en peso de H2,_C2,_O4 (ácido oxálico) y NaHCO₃ (bicarbonato de sodio) en una taza mezcladora (consulte la Tabla de materiales). Si la mezcla de polvo ácido-base está cristalizada, muélala con un mortero (Figura 1A).
2. Recupere las cápsulas vegetales de tamaño 3 y la máquina llenadora de cápsulas semiautomática para comenzar el proceso (consulte la Tabla de materiales).
3. Coloque la hoja de tapa plana sobre una superficie limpia y seca. Alinee la hoja de encapsulación en la parte superior de la hoja de tapa usando las clavijas negras para fijarla correctamente en su lugar (Figura 1B).
4. Separe la parte superior e inferior de las cápsulas, a menos que use cápsulas previamente separadas. Las cápsulas vegetales de tamaño #3, cuando están cerradas, tienen unas dimensiones totales de 15,9 mm de longitud, 5,57 mm de diámetro exterior (OD), 0,30 mL de volumen y un peso de 47 mg.
5. Vierta la parte superior de las cápsulas en la hoja de encapsulación (Figura 1C). Agite suavemente la parte superior en los agujeros con un movimiento circular. Mientras hace esto, cubra el espacio en la pared de la hoja de encapsulación con una mano o un esparcidor de polvo para evitar derramar la parte superior (Figura 1D).
   1. Una vez que los agujeros estén llenos, vierta el exceso de tapas de cápsulas en una taza limpia (Figura 1E). Identifique las tapas de las cápsulas invertidas y déles la vuelta (Figura 1F). Asegúrese de que todas las tapas de las cápsulas estén orientadas en la dirección correcta en la hoja de tapa. Es importante asegurarse de una orientación adecuada, ya que una alineación incorrecta puede hacer que la parte superior de la cápsula no se una correctamente con la parte inferior de la cápsula.
6. Retire la hoja de encapsulación y deje a un lado la hoja de tapa llena.
7. Saque el cuerpo o la sábana "inferior". Colócalo sobre una superficie limpia, seca y plana. Fije la hoja de encapsulación a la hoja inferior, asegurando una alineación adecuada utilizando las clavijas negras para colocarla correctamente en su lugar.
8. Vierta los fondos de las cápsulas en la hoja de encapsulación y agite como antes con movimientos circulares para llenar los agujeros. Vierta el exceso de fondo de la cápsula. Identifique los fondos de las cápsulas al revés y déles la vuelta.
9. Retire la hoja de encapsulación de la hoja inferior y déjela a un lado.
10. Vierta la mezcla de polvo ácido/base sobre la lámina inferior llena (Figura 1G). Use un esparcidor de plástico para llenar el fondo de la cápsula con el polvo (Figura 1H). Compruebe que todos los fondos de las cápsulas estén llenos (Figura 1I). Retire cualquier polvo de ácido/base no utilizado.
11. Coloque la hoja de la tapa sobre una superficie plana y coloque la hoja central en la parte superior, alineándola con las clavijas negras para asegurar un ajuste correcto. Asegúrese de alinear todas las tapas de las cápsulas con los agujeros correspondientes en la hoja central.
12. Invierta la hoja de tapa con la hoja central fijada y alinéela con la hoja inferior llena (Figura 1J).
13. Presione suavemente hacia abajo la hoja de la tapa por igual en todos los lados para unir la parte superior e inferior, encajando ambos lados de la cápsula (Figura 1K).
14. Retire la hoja de tapa y la hoja del medio de la hoja inferior. En este punto, la parte inferior y superior de la cápsula deben estar correctamente unidas.
    1. Verifique que la parte superior e inferior de cada cápsula estén bien ajustadas; De lo contrario, presione manualmente la parte superior e inferior de la cápsula juntas para crear un ajuste perfecto. Retire las cápsulas llenas y colóquelas en un recipiente hermético y hermético (Figura 1L).
       NOTA: Para un manejo seguro, es esencial que los usuarios usen equipo de protección personal (EPP) y protección facial. Se debe garantizar una ventilación adecuada y se deben tomar precauciones para evitar la ingestión, inhalación y contacto con la sustancia en contacto con la piel, los ojos o la ropa. Además, es importante evitar la generación de polvo. Para obtener información detallada sobre la seguridad, consulte la hoja de datos de seguridad (SDS) para el ácido oxálico y el bicarbonato de sodio. Para mantener la integridad de las cápsulas ácido/base, se recomienda almacenarlas lejos de la luz solar directa y de la alta humedad. Guarde las cápsulas no utilizadas en un recipiente hermético y sellado. Siempre que las cápsulas se mantengan secas y libres de humedad, se pueden usar de manera efectiva para garantizar una funcionalidad óptima.

2. Fabricación de tapones de silicona

1. Utilizando una impresora 3D de modelado por deposición fundida (FDM) (consulte la Tabla de materiales), imprima una placa de molde utilizando el archivo STL proporcionado en el Archivo complementario 1.
2. Coloque una cinta de embalaje transparente en la parte inferior de la placa del molde para que cada abertura quede sellada (Figura 2A).
3. Mezcle una proporción de 1:1 en peso (por ejemplo, 50 g de cada una de las Partes A y B) del material de moldes de silicona disponible comercialmente en un vaso mezclador (consulte la Tabla de materiales). Con una cuchara desechable, mezcle bien el compuesto químico durante aproximadamente 5 minutos, o hasta que se haya vuelto uniforme.
4. Coloque la placa del molde con la cinta de embalaje sobre un trozo de papel. El papel atrapará cualquier posible derrame de silicona de la placa del molde.
5. Comience a verter la mezcla de silicona en cada orificio del tapón, asegurándose de que todos estén llenos (Figura 2B). Use una escobilla de goma para esparcir la silicona en cada orificio del tapón (Figura 2C). Retire la mezcla de silicona sobrante de la superficie de la placa del molde.
6. Deje secar los tapones de goma durante 4 h. Después de asegurarse de que los tapones se hayan curado por completo (por ejemplo, que la mezcla de silicona se haya secado y endurecido por completo), retire la cinta de la parte posterior de la placa del molde (Figura 2D) y luego comience a sacar los tapones del molde (Figura 2E).
7. Retire el exceso de silicona adherida a los tapones (Figura 2F).

3. Montaje de la etiqueta del globo

1. Inserte con cuidado la herramienta de perforación (p. ej., palillo dental recto) en el tapón de silicona (Figura 3A) (consulte la Tabla de materiales). Inserte la herramienta para perforar en una aguja de jeringa de 15 G y luego retire la herramienta para perforar del tapón de silicona, dejando solo la aguja de 15 G adentro (Figura 3B). La herramienta de perforación creará una hendidura dentro del tapón de silicona sin cortar ni quitar ningún material.
2. Corte un pedazo de hilo de pescar de 50 libras (consulte la Tabla de materiales) a una longitud de 150 mm. Inserte el hilo de pescar a través de la aguja de la jeringa de 15 G y en el tapón de silicona (Figura 3C).
   1. Mientras sostiene con cuidado el tapón y el hilo de pescar juntos, retire la aguja de la jeringa de 15 g del cuerpo del tapón, dejando el hilo de pescar dentro del tapón (Figura 3D). Asegúrese de que las longitudes de las líneas de pescar sean uniformes en ambos lados del tapón.
3. Inserte dos cápsulas llenas de ácido/polvo de base en un globo de látex (Figura 3E) (consulte la Tabla de materiales). Expanda la abertura del globo con la herramienta de expansión de banda elástica (es decir, alicates de banda de castración) y luego inserte con cuidado un tapón de silicona en la abertura del globo (Figura 3F), dejando los dos extremos del hilo de pescar fuera del globo.
4. Coloque dos juntas tóricas (1,6 mm de ancho, 8,1 mm de diámetro interior, consulte la tabla de materiales) en la herramienta de expansión de banda elástica y expándalas. Inserte el cuello del globo de látex a través de las dos juntas tóricas expandidas (Figura 3G). Tire con cuidado de las dos juntas tóricas de la herramienta de expansión de la banda elástica, dejándolas bien envueltas alrededor del cuello del globo, centradas en el tapón (Figura 3H).

4. Fijación de la etiqueta del globo a las tapas de los peces con sensor

1. Coloque un extremo del hilo de pescar a través de uno de los orificios pequeños en la tapa del Sensor Fish (consulte la Tabla de materiales) y póngalo a través del orificio grande en el centro de la tapa (Figura 4A).
2. Ata los dos extremos del hilo de pescar, dejando entre 13 y 26 mm entre la parte superior de la tapa y la base del globo. Use cuatro nudos simples uno encima del otro al atar el hilo de pescar.
3. Deje el hilo de pescar adicional adherido, ya que cortarlo demasiado cerca de un nudo podría hacer que el nudo se deshaga (Figura 4B).
4. Pruebe el nudo agarrando el hilo de pescar a cada lado del nudo con los dedos y tirando lo más fuerte posible. Tenga cuidado de no acercarse demasiado al globo, ya que podría rasgar involuntariamente el hilo de pescar a través del tapón de goma.

Resultados

Se realizó un estudio para determinar los métodos óptimos para la fabricación de etiquetas de globos, centrándose en el volumen y la temperatura del agua inyectada en el globo. El estudio examinó varios parámetros de entrada, incluida la hora de inicio de la inflación, la hora de inflación completa, la hora de inicio de la deflación y el volumen del globo con la inflación completa. El estudio se realizó en un escritorio con una temperatura ambiente de 21 °C.

Se prepararon un total...

Discusión

Este estudio concluyó que las etiquetas de balón de tres cápsulas inyectadas con 5 ml de agua a 18,3 °C tenían un tiempo de inflado de inicio más lento y un volumen consistentemente mayor en comparación con las etiquetas de balón de dos y cuatro cápsulas. Cuando las etiquetas de los globos se inyectaron con agua a 12,7 °C, el volumen promedio fue menor y el tiempo de inflado fue más largo. La cápsula de tres comienza a desinflarse primero, seguida de la de cuatro cápsulas y, por último, la de dos cápsulas....

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D Printed Silicone Stopper Plate	NA	NA
ARC800 Sensor Fish	ATS	NA
FDM 3D printer	NA	NA
Manual Capsule Filler Machine CN-400CL (Size #3)	Capsulcn	NA
Mold Star 15 SLOW	Smooth-On	NA
Oil-Resistant Buna-N O-Ring	McMaster-Carr	SN: 9262K141
Oxalic Acid, 98%, Anhydrous Powder (C2H2O4)	Thermo Scientific	CAS: 144-62-7
Rubber Band Expansion Tool	iplusmile	NA
Separated Vegetable Cellulose Capsules (Size #3)	Capsule Connection	NA
Smiley Face YoYo Latex balloon	YoYo Balloons, Etc.	NA
Sodium Bicarbonate Powder (CHNaO3)	Sigma	CAS: 144-55-8
Spectra Fiber Braided Fishing Line (50 lbs.)	Power Pro	NA