Tecnica di produzione di tag a palloncino per il recupero di pesci sensore e pesci vivi

Riepilogo

Viene presentato un protocollo per la progettazione e la produzione di tag a palloncino per il recupero di pesci sensore e pesci vivi, consentendo di valutare le loro condizioni fisiche e le prestazioni biologiche nelle strutture idrauliche. Il metodo ottimizza le prestazioni dell'etichetta del palloncino considerando fattori quali il volume del palloncino, i tempi di gonfiaggio/sgonfiaggio, la selezione dei componenti e le caratteristiche dell'acqua iniettata.

Abstract

I pesci possono subire lesioni e mortalità quando passano attraverso i trasporti idraulici delle dighe idroelettriche, anche se questi trasporti sono progettati per essere rispettosi dei pesci, come i sistemi di bypass a valle, gli sfioratori modificati e le turbine. I principali metodi utilizzati per studiare le condizioni di passaggio dei pesci nelle strutture idrauliche prevedono test diretti in situ utilizzando la tecnologia Sensor Fish e pesci vivi. I dati di Sensor Fish aiutano a identificare i fattori di stress fisico e la loro posizione nell'ambiente di passaggio dei pesci, mentre i pesci vivi vengono valutati per lesioni e mortalità. Le targhette a palloncino, che sono palloncini autogonfiabili attaccati esternamente a Sensor Fish e pesci vivi, aiutano nel loro recupero dopo essere passati attraverso le strutture idrauliche.

Questo articolo si concentra sullo sviluppo di tag a palloncino con un numero variabile di capsule solubili a base vegetale contenenti una miscela di acido ossalico, polveri di bicarbonato di sodio e acqua a due diverse temperature. La nostra ricerca ha determinato che i tag a palloncino con tre capsule, iniettati con 5 mL di acqua a 18,3 °C, hanno raggiunto costantemente il volume desiderato del palloncino. Questi tag avevano un volume di gonfiaggio medio di 114 cm 3 con una deviazione standard di 1,2 cm³. Tra i tag a palloncino iniettati con acqua a 18,3 °C, è stato osservato che i tag a palloncino a due capsule hanno impiegato il tempo più lungo per raggiungere il gonfiaggio completo. Inoltre, le etichette a palloncino a quattro capsule hanno dimostrato un tempo di inizio del gonfiaggio più rapido, mentre le etichette a palloncino a tre capsule hanno dimostrato un tempo di inizio dello sgonfiaggio più rapido. Nel complesso, questo approccio si dimostra efficace per convalidare le prestazioni di nuove tecnologie, migliorare la progettazione delle turbine e prendere decisioni operative per migliorare le condizioni di passaggio dei pesci. Funge da strumento prezioso per la ricerca e le valutazioni sul campo, aiutando a perfezionare sia la progettazione che il funzionamento delle strutture idrauliche.

Introduzione

L'energia idroelettrica è un'importante risorsa di energia rinnovabile in tutto il mondo. Negli Stati Uniti, l'energia idroelettrica contribuisce con circa il 38% o 274 TWh di elettricità generata da fonti rinnovabili¹ e ha il potenziale per aggiungere circa 460 TWh all'anno². Tuttavia, con l'aumento dello sviluppo dell'energia idroelettrica, le preoccupazioni per le lesioni e la mortalità dei pesci durante il passaggio idraulico sono diventate fondamentali³. Vari meccanismi contribuiscono alle lesioni dei pesci durante il passaggio, tra cui la decompressione rapida (barotrauma), lo stress da taglio, la turbolenza, gli urti, la cavitazione e la macinazione⁴. Sebbene questi meccanismi di lesione possano non avere un impatto immediato sulle condizioni generali dei pesci, possono renderli più vulnerabili a malattie, infezioni fungine, parassiti e predazione⁵. Inoltre, le lesioni fisiche dirette derivanti da collisioni con turbine o altre strutture idrauliche possono portare a una mortalità significativa, sottolineando l'importanza di mitigare questi rischi nello sviluppo dell'energia idroelettrica.

Uno dei metodi più comuni per valutare le condizioni di passaggio dei pesci è il rilascio di pesci sensore e pesci vivi attraverso strutture idrauliche ^6,7. Il Sensor Fish è un dispositivo autonomo progettato per studiare le condizioni fisiche che i pesci sperimentano durante il passaggio attraverso strutture idrauliche, tra cui turbine, sfioratori e alternative di bypass^delle dighe ^8,9. Dotato di un accelerometro 3D, un giroscopio 3D, un sensore di temperatura e un sensore di pressione 9, il Sensor Fish fornisce dati preziosi sulle condizioni^di passaggio dei pesci.

I tag a palloncino, che sono palloncini autogonfiabili attaccati esternamente a Sensor Fish e pesci vivi, aiutano nel loro recupero dopo essere passati attraverso le strutture idrauliche. Le etichette a palloncino sono costituite da capsule solubili riempite con sostanze chimiche che generano gas (ad es. acido ossalico e bicarbonato di sodio), un tappo in silicone e una lenza. Prima del dispiegamento, l'acqua viene iniettata nel palloncino attraverso il tappo in silicone. L'acqua scioglie le capsule a base vegetale, innescando una reazione chimica che produce gas gonfiando il palloncino. In questa reazione di neutralizzazione, il bicarbonato di sodio, una base debole, e l'acido ossalico, un acido debole, reagiscono per formare anidride carbonica, acqua e ossalato di sodio¹⁰. La reazione chimica è fornita di seguito:

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

Il pallone gonfiato aumenta la galleggiabilità del pesce sensore e dei pesci vivi, consentendo loro di galleggiare sulla superficie dell'acqua per un recupero più facile.

Il numero di tag a palloncino necessari per ottenere la flottazione e facilitare il recupero di un campione (ad esempio, pesci sensore o pesci vivi) può variare in base alle caratteristiche di volume e massa del campione. La durata del gonfiaggio dell'etichetta del palloncino può essere regolata iniettando acqua a diverse temperature. L'acqua più fredda aumenterà il tempo di gonfiaggio, mentre l'acqua più calda lo diminuirà. Le targhette a palloncino sono state impiegate con successo in varie località, tra cui il Farmers Screen, un'esclusiva struttura orizzontale a piastra piana per pesci e detriti a Hood River, Oregon¹¹, e una turbina Francis presso la diga di Nam Ngum nella Repubblica Democratica Popolare del Laos¹². Un altro esempio di tag a palloncino disponibile in commercio è l'Hi-Z Turb'N Tag^13,14. L'Hi-Z Turb'N Tag consente di regolare il tempo di gonfiaggio tra 2 min e 60 min, a seconda della temperatura dell'acqua iniettata¹³. Questa tecnologia è stata utilizzata in studi sui pesci in molti siti sul campo, compresi gli studi che hanno coinvolto i giovani salmoni Chinook rilasciati alla diga di Rocky Reach sul fiume Columbia e i giovani aloni americani alla diga di Hadley Falls sul fiume Connecticut^15,16. Entrambe le tecnologie utilizzano reazioni chimiche acido-base per gonfiare le etichette del palloncino per il recupero.

Questo metodo offre economicità e semplicità nella produzione, con un costo del materiale stimato di soli $ 0,50 per palloncino. Come descritto qui, il processo di produzione è facile da seguire, rendendo la produzione di tag a palloncino accessibile a chiunque.

Protocollo

1. Incapsulamento acido/base

1. Miscelare un rapporto 1:2 in peso di H 2 C₂O₄ (acido ossalico) e NaHCO₃ (bicarbonato di sodio) in una tazza di miscelazione (vedi Tabella dei materiali). Se la miscela acido-base in polvere è cristallizzata, macinarla con un mortaio e un pestello (Figura 1A).
2. Recupera le capsule a base vegetale formato 3 e la riempitrice di capsule semiautomatica per iniziare il processo (vedi Tabella dei materiali).
3. Posizionare il foglio del cappuccio su una superficie pulita e asciutta. Allineare il foglio di incapsulamento sopra il foglio di copertura utilizzando i pioli neri per fissarlo correttamente in posizione (Figura 1B).
4. Separare la parte superiore e inferiore della capsula, a meno che non si utilizzino capsule pre-separate. Le capsule vegetali di taglia #3, quando sono chiuse, hanno dimensioni complessive di 15,9 mm di lunghezza, 5,57 mm di diametro esterno (OD), 0,30 mL di volume e pesano 47 mg.
5. Versare i tappi delle capsule nel foglio di incapsulamento (Figura 1C). Scuotere delicatamente le parti superiori nei fori con un movimento circolare. Durante questa operazione, coprire la fessura nella parete del foglio di incapsulamento con una mano o uno spargitore di polvere per evitare di rovesciare le parti superiori (Figura 1D).
   1. Una volta riempiti i fori, versare i tappi delle capsule in eccesso in una tazza pulita (Figura 1E). Identificare eventuali parti superiori della capsula capovolte e capovolgerle (Figura 1F). Assicurarsi che tutti i tappi delle capsule siano rivolti nella direzione corretta nel foglio del tappo. È importante garantire un orientamento corretto, poiché un allineamento errato può far sì che la parte superiore della capsula non si unisca correttamente con la parte inferiore della capsula.
6. Rimuovere il foglio di incapsulamento e mettere da parte il foglio di tappo riempito.
7. Estrarre il corpo o il foglio "inferiore". Posizionalo su una superficie pulita, asciutta e piana. Fissare il foglio di incapsulamento al foglio inferiore, assicurandosi del corretto allineamento utilizzando i pioli neri per posizionarlo correttamente in posizione.
8. Versare il fondo delle capsule nel foglio di incapsulamento e agitare come prima con un movimento circolare per riempire i fori. Versare il fondo della capsula in eccesso. Identifica eventuali fondi della capsula capovolti e capovolgili.
9. Rimuovere il foglio di incapsulamento dal foglio inferiore e metterlo da parte.
10. Versare la miscela acido/base in polvere sul foglio inferiore riempito (Figura 1G). Utilizzare uno spandiconcime di plastica per riempire il fondo della capsula con la polvere (Figura 1H). Verificare che tutti i fondi delle capsule siano pieni (Figura 1I). Rimuovere la polvere acida/base inutilizzata.
11. Posizionare il foglio di copertura su una superficie piana e posizionare il foglio centrale sopra, allineandolo con i pioli neri per garantire una corretta vestibilità. Assicurarsi di allineare tutte le parti superiori della capsula con i fori corrispondenti nel foglio centrale.
12. Capovolgere il foglio di copertura con il foglio centrale apposto e allinearlo con il foglio inferiore riempito (Figura 1J).
13. Premere delicatamente il foglio del cappuccio in modo uniforme su tutti i lati per unire la parte superiore e inferiore, inserendo entrambi i lati della capsula insieme (Figura 1K).
14. Rimuovere il foglio di copertura e il foglio centrale dal foglio inferiore. A questo punto, il fondo e la parte superiore della capsula dovrebbero essere correttamente uniti tra loro.
    1. Verificare che la parte superiore e inferiore di ogni capsula siano ben fissate; In caso contrario, premere manualmente la parte superiore e inferiore della capsula insieme per creare una vestibilità aderente. Rimuovere le capsule riempite e riporle in un contenitore ermetico e sigillabile (Figura 1L).
       NOTA: Per una manipolazione sicura, è essenziale che gli utenti indossino dispositivi di protezione individuale (DPI) e protezioni per il viso. Deve essere garantita un'adeguata ventilazione e devono essere prese precauzioni per evitare l'ingestione, l'inalazione e il contatto con la sostanza sulla pelle, sugli occhi o sugli indumenti. Inoltre, è importante prevenire la generazione di polvere. Per informazioni dettagliate sulla sicurezza, fare riferimento alla scheda di dati di sicurezza (SDS) per l'acido ossalico e il bicarbonato di sodio. Per mantenere l'integrità delle capsule acido/base, si consiglia di conservarle al riparo dalla luce solare diretta e da un'elevata umidità. Conservare le capsule non utilizzate in un contenitore ermetico sigillato. Finché le capsule vengono mantenute asciutte e prive di umidità, possono essere utilizzate efficacemente per garantire una funzionalità ottimale.

2. Produzione di tappi in silicone

1. Utilizzando una stampante 3D FDM (Fused Deposition Modeling) (vedere la tabella dei materiali), stampare una lastra di stampo utilizzando il file STL fornito nel file supplementare 1.
2. Posizionare un nastro da imballaggio trasparente sul lato inferiore della piastra dello stampo in modo che ogni apertura sia sigillata (Figura 2A).
3. Miscelare un rapporto 1:1 in peso (ad es. 50 g ciascuno della Parte A e della Parte B) del materiale dello stampo in silicone disponibile in commercio in una tazza di miscelazione (vedere la Tabella dei materiali). Usando un cucchiaio usa e getta, mescolare accuratamente il composto chimico per circa 5 minuti o fino a quando non è diventato uniforme.
4. Posizionare la piastra dello stampo con il nastro da imballaggio su un pezzo di carta. La carta catturerà qualsiasi potenziale fuoriuscita di silicone dalla piastra dello stampo.
5. Iniziare a versare la miscela di silicone in ciascun foro del tappo, assicurandosi che siano tutti pieni (Figura 2B). Utilizzare una spatola di gomma per stendere il silicone in ciascun foro di chiusura (Figura 2C). Rimuovere la miscela di silicone rimanente dalla superficie della piastra dello stampo.
6. Lasciare asciugare i tappi di gomma per 4 ore. Dopo essersi assicurati che i tappi siano completamente induriti (ad esempio, la miscela di silicone si è completamente asciugata e indurita), rimuovere il nastro dal retro della piastra dello stampo (Figura 2D), quindi iniziare a estrarre i tappi dallo stampo (Figura 2E).
7. Rimuovere il silicone in eccesso attaccato ai tappi (Figura 2F).

3. Assemblaggio dell'etichetta del palloncino

1. Inserire con cautela lo strumento per piercing (ad es. stuzzicadenti dritto) nel tappo in silicone (Figura 3A) (vedere la tabella dei materiali). Inserire lo strumento per piercing in un ago per siringa da 15 G, quindi rimuovere lo strumento da piercing dal tappo in silicone, lasciando solo l'ago da 15 G all'interno (Figura 3B). Lo strumento di piercing creerà una fessura all'interno del tappo in silicone senza tagliare o rimuovere alcun materiale.
2. Tagliare un pezzo di lenza da pesca da 50 libbre (vedi Tabella dei materiali) a una lunghezza di 150 mm. Inserite la lenza attraverso l'ago della siringa da 15 G e nel tappo in silicone (Figura 3C).
   1. Tenendo insieme con cura il tappo e la lenza, rimuovere l'ago della siringa da 15 G dal corpo del tappo, lasciando la lenza all'interno del tappo (Figura 3D). Assicurarsi che le lunghezze della lenza siano uniformi su entrambi i lati del tappo.
3. Inserire due capsule riempite di acido/polvere base in un palloncino di lattice (Figura 3E) (vedere la tabella dei materiali). Espandere l'apertura del palloncino utilizzando lo strumento di espansione dell'elastico (ad es. pinze per banda di castrazione) e quindi inserire con cautela un tappo in silicone nell'apertura del palloncino (Figura 3F), lasciando le due estremità della lenza fuori dal palloncino.
4. Posizionare due O-ring (1.6 mm di larghezza, 8.1 mm di diametro interno, vedere la tabella dei materiali) sull'utensile di espansione elastico ed espanderli. Inserire il collo del palloncino in lattice attraverso i due O-ring espansi (Figura 3G). Estrarre con cautela i due O-ring dallo strumento di espansione dell'elastico, lasciandoli strettamente avvolti attorno al collo del palloncino, centrato sul tappo (Figura 3H).

4. Attacco dell'etichetta del palloncino ai cappelli Sensor Fish

1. Inserire un'estremità della lenza attraverso uno dei piccoli fori del tappo Sensor Fish (vedere la tabella dei materiali) e portarla attraverso il foro grande al centro del cappuccio (Figura 4A).
2. Legare insieme le due estremità della lenza, lasciando circa 13-26 mm tra la parte superiore del cappuccio e la base del palloncino. Usa quattro nodi a rovescio uno sopra l'altro quando leghi la lenza.
3. Lasciare attaccata la lenza in più, poiché tagliarla troppo vicino a un nodo potrebbe potenzialmente causare l'allentamento del nodo (Figura 4B).
4. Prova il nodo afferrando la lenza su ciascun lato del nodo con le dita e tirando il più forte possibile. Fai attenzione a non avvicinarti troppo al palloncino, poiché potrebbe strappare involontariamente la lenza attraverso il tappo di gomma.

Risultati

È stato condotto uno studio per determinare i metodi ottimali per la produzione di etichette per palloncini, concentrandosi sul volume e sulla temperatura dell'acqua iniettata nel palloncino. Lo studio ha esaminato vari parametri di input, tra cui l'ora di inizio del gonfiaggio, il tempo di gonfiaggio completo, l'ora di inizio dello sgonfiaggio e il volume del palloncino a gonfiaggio completo. Lo studio è stato condotto a una scrivania con una temperatura ambiente di 21 °C.

Per lo studio so...

Discussione

Questo studio ha concluso che i tag a palloncino a tre capsule iniettati con 5 mL di acqua a 18,3 °C avevano un tempo di gonfiaggio iniziale più lento e un volume costantemente maggiore rispetto ai tag a palloncino a due e quattro capsule. Quando i tag del palloncino sono stati iniettati con acqua a 12,7 °C, il volume medio era inferiore e il tempo di gonfiaggio era più lungo. La capsula a tre capsule inizia a sgonfiarsi per prima, seguita da quella a quattro capsule e infine da quella a due capsule. I periodi di gon...

Materiali

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