센서 물고기 및 살아있는 물고기 회수를 위한 풍선 태그 제조 기술

요약

Sensor Fish 및 활어를 회수하기 위한 풍선 태그를 설계 및 제조하기 위한 프로토콜이 제시되어 유압 구조물에서 물리적 상태와 생물학적 성능을 평가할 수 있습니다. 이 방법은 풍선 부피, 팽창/수축 시간, 성분 선택 및 주입된 물의 특성과 같은 요소를 고려하여 풍선 태그 성능을 최적화합니다.

초록

물고기는 수력 발전 댐의 유압 운송 수단을 통과 할 때 부상과 사망을 경험할 수 있으며, 이러한 운송 수단이 하류 우회 시스템, 수정 된 배수로 및 터빈과 같이 물고기 친화적으로 설계된 경우에도 마찬가지입니다. 유압 구조물의 물고기 통과 조건을 연구하는 데 사용되는 주요 방법에는 Sensor Fish 기술과 살아있는 물고기를 사용한 직접 현장 테스트가 포함됩니다. Sensor Fish 데이터는 물리적 스트레스 요인과 물고기 통로 환경에서의 위치를 식별하는 데 도움이 되며, 살아있는 물고기는 부상 및 사망률을 평가합니다. Sensor Fish와 살아있는 물고기에 외부에 부착된 자체 팽창 풍선인 풍선 태그는 유압 구조물을 통과한 후 회복을 돕습니다.

이 기사에서는 두 가지 다른 온도에서 옥살산, 중탄산나트륨 분말 및 물의 혼합물을 포함하는 다양한 수의 용해성 식물성 캡슐이 포함된 풍선 태그의 개발에 중점을 둡니다. 우리의 연구는 18.3 °C에서 5 mL의 물을 주입한 3개의 캡슐이 있는 풍선 태그가 원하는 풍선 부피를 일관되게 달성한다는 것을 확인했습니다. 이 태그의 평균 팽창량은 114 cm³ 이고 표준 편차는 1.2 cm³ 입니다. 18.3°C에서 물을 주입한 풍선 태그 중 2캡슐 풍선 태그가 전체 팽창에 도달하는 데 가장 오랜 시간이 걸리는 것으로 관찰되었습니다. 또한, 4캡슐 풍선 태그는 더 빠른 인플레이션 시작 시간을 보여주었고, 3캡슐 풍선 태그는 더 빠른 디플레이션 시작 시간을 보여주었습니다. 전반적으로 이 접근 방식은 새로운 기술의 성능을 검증하고, 터빈 설계를 개선하고, 어류 통로 조건을 개선하기 위한 운영 결정을 내리는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다. 연구 및 현장 평가를 위한 귀중한 도구 역할을 하며, 유압 구조물의 설계 및 작동을 개선하는 데 도움이 됩니다.

서문

수력 발전은 전 세계적으로 중요한 재생 에너지 자원입니다. 미국에서 수력 발전은 재생 가능한 자원에서 생산되는 전기의 약 38% 또는 274TWh를 차지하며¹ 연간 약 460TWh를 추가할 수 있는 잠재력이 있습니다². 그러나 수력 발전이 증가함에 따라 수력 통과 중 물고기 부상 및 폐사에 대한 우려가 가장 중요해졌습니다³. 급속 감압(barotrauma), 전단 응력, 난류, 스트라이크, 캐비테이션 및 연삭을 포함한 다양한 메커니즘이 통과 중 물고기 부상에 기여합니다⁴. 이러한 부상 메커니즘은 물고기의 전반적인 상태에 즉각적인 영향을 미치지 않을 수 있지만 질병, 곰팡이 감염, 기생충 및 포식에 더 취약하게 만들 수 있습니다⁵. 또한 터빈 또는 기타 유압 구조물과의 충돌로 인한 직접적인 신체적 부상은 상당한 사망으로 이어질 수 있으므로 수력 발전에서 이러한 위험을 완화하는 것이 중요합니다.

물고기 통과 조건을 평가하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 유압 구조물 ^6,7을 통해 센서 물고기와 살아있는 물고기를 방출하는 것입니다. Sensor Fish는 터빈, 배수로 및 댐 우회 대안 ^8,9을 포함한 유압 구조물을 통과하는 동안 물고기가 경험하는 물리적 조건을 연구하도록 설계된 자율 장치입니다. 3D 가속도계, 3D 자이로스코프, 온도 센서 및 압력 센서⁹가 장착된 Sensor Fish는 물고기 통과 조건에 대한 귀중한 데이터를 제공합니다.

Sensor Fish와 살아있는 물고기에 외부에 부착된 자체 팽창 풍선인 풍선 태그는 유압 구조물을 통과한 후 회복을 돕습니다. 풍선 태그는 가스 발생 화학 물질(예: 옥살산 및 중탄산나트륨)로 채워진 용해성 캡슐, 실리콘 마개 및 낚싯줄로 구성됩니다. 배치하기 전에 실리콘 마개를 통해 풍선에 물을 주입합니다. 물은 식물성 캡슐을 녹여 풍선을 팽창시키는 가스를 생성하는 화학 반응을 일으킵니다. 이 중화 반응에서 약염기인 중탄산나트륨과 약산인 옥살산이 반응하여 이산화탄소, 물 및 옥살산나트륨¹⁰을 형성합니다. 화학 반응은 다음과 같습니다.

2NaHCO₃+ H2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C₂ O₄

부풀어 오른 풍선은 센서 피쉬와 살아있는 물고기의 부력을 증가시켜 수면에 떠 더 쉽게 회복할 수 있도록 합니다.

부유선을 달성하고 샘플(예: Sensor Fish 또는 살아있는 물고기)의 회수를 용이하게 하는 데 필요한 풍선 태그의 수는 샘플의 부피 및 질량 특성에 따라 달라질 수 있습니다. 풍선 태그 팽창 시간은 다른 온도에서 물을 주입하여 조정할 수 있습니다. 물이 차가우면 팽창 시간이 증가하고 따뜻한 물은 팽창 시간을 줄입니다. 풍선 태그^{는 오레곤 주} 후드 강(Hood River)에 있는 독특한 수평 평판 물고기 및 잔해 스크린 구조물인 파머스 스크린(Farmers Screen)과 라오스 인민 민주 공화국(Lao People's Democratic Republic)의 남 응움 댐(Nam Ngum Dam)에 있는 프랜시스 터빈(Francis turbine)을 포함한 다양한 위치에서 성공적으로 사용되었습니다¹². 또 다른 상업적으로 이용 가능한 풍선 태그의 예는 Hi-Z Turb'N Tag^13,14이다. Hi-Z Turb'N Tag를 사용하면 주입된^수온에 따라 팽창 시간을 2분에서 60분 사이로 조정할 수 있습니다. 이 기술은 컬럼비아 강의 록키 리치 댐 (Rocky Reach Dam)에서 방류 된 치누크 연어 스몰트 (Chinook salmon smolts)와 코네티컷 강 (Connecticut River)의 해들리 폴스 댐 (Hadley Falls Dam)에서 어린 미국 청어와 관련된 연구를 포함하여 많은 현장 현장의 어류 연구에 사용되었습니다^15,16. 두 기술 모두 산-염기 화학 반응을 활용하여 풍선 태그를 부풀려 회수합니다.

이 방법은 풍선당 $0.50에 불과한 예상 재료 비용으로 제조의 비용 효율성과 단순성을 제공합니다. 여기에 설명된 대로 제조 공정은 따르기 쉽기 때문에 누구나 풍선 태그 생산에 액세스할 수 있습니다.

프로토콜

1. 산/염기 캡슐화

1. 혼합 컵에 H 2 C 2 O₄ (옥살산) 및 NaHCO₃ (중탄산 나트륨)의 중량으로 1 :₂비율로 혼합합니다 (재료 표 참조). 산-염기 분말 혼합물이 결정화되면 모르타르와 유봉을 사용하여 분쇄합니다(그림 1A).
2. 크기 3 식물성 캡슐과 반자동 캡슐 충전 기계를 회수하여 프로세스를 시작합니다( 재료 표 참조).
3. 캡 시트를 깨끗하고 건조한 표면에 평평하게 놓습니다. 검은색 못을 사용하여 캡 시트 위에 캡슐화 시트를 정렬하여 제자리에 올바르게 고정합니다(그림 1B).
4. 미리 분리된 캡슐을 사용하지 않는 한 캡슐 상단과 하단을 분리하십시오. 크기 #3 식물성 캡슐은 닫았을 때 길이 15.9mm, 외경(OD) 5.57mm, 부피 0.30mL, 무게 47mg의 전체 치수를 갖습니다.
5. 캡슐 상판을 캡슐화 시트에 붓습니다(그림 1C). 원을 그리며 구멍에 윗부분을 부드럽게 흔듭니다. 이 작업을 수행하는 동안 캡슐화 시트 벽의 틈을 한 손이나 분말 살포기로 덮어 상단이 쏟아지지 않도록 합니다(그림 1D).
   1. 구멍이 채워지면 여분의 캡슐 뚜껑을 깨끗한 컵에 붓습니다(그림 1E). 거꾸로 된 캡슐 상단을 확인하고 뒤집습니다(그림 1F). 모든 캡슐 상단이 캡 시트에서 올바른 방향을 향하고 있는지 확인하십시오. 잘못된 정렬로 인해 캡슐 상단이 캡슐 하단과 제대로 결합되지 않을 수 있으므로 올바른 방향을 유지하는 것이 중요합니다.
6. 캡슐화 시트를 제거하고 채워진 캡 시트를 따로 보관하십시오.
7. 본체 또는 "하단" 시트를 꺼냅니다. 깨끗하고 건조하며 평평한 표면에 놓으십시오. 캡슐화 시트를 하단 시트에 고정하고 검은색 못을 사용하여 제자리에 올바르게 배치하여 적절한 정렬을 보장합니다.
8. 캡슐 바닥을 캡슐화 시트에 붓고 이전과 같이 원을 그리며 흔들어 구멍을 채웁니다. 여분의 캡슐 바닥을 붓습니다. 거꾸로 된 캡슐 바닥을 확인하고 뒤집습니다.
9. 하단 시트에서 캡슐화 시트를 제거하고 따로 보관하십시오.
10. 산성/염기 분말 혼합물을 채워진 바닥 시트에 붓습니다(그림 1G). 플라스틱 스프레더를 사용하여 캡슐 바닥을 분말로 채웁니다(그림 1H). 캡슐 바닥이 모두 채워졌는지 확인합니다(그림 1I). 사용하지 않은 산/염기 분말을 제거합니다.
11. 캡 시트를 평평한 표면에 놓고 중간 시트를 그 위에 놓고 검은색 못에 맞춰 올바르게 맞도록 합니다. 모든 캡슐 상단을 중간 시트의 해당 구멍과 정렬해야 합니다.
12. 캡 시트를 부착된 중간 시트로 뒤집고 채워진 바닥 시트에 맞춥니다(그림 1J).
13. 캡 시트를 모든 면에서 균등하게 눌러 상단과 하단을 결합하고 캡슐의 양쪽을 함께 맞춥니다(그림 1K).
14. 하단 시트에서 캡 시트와 중간 시트를 제거합니다. 이 시점에서 캡슐 바닥과 상단이 제대로 결합되어야 합니다.
    1. 각 캡슐 상단과 하단이 단단히 고정되었는지 확인하십시오. 그렇지 않은 경우 캡슐 상단과 하단을 함께 수동으로 눌러 꽉 끼도록 합니다. 채워진 캡슐을 제거하고 밀폐되고 밀봉 가능한 용기에 넣습니다(그림 1L).
       알림: 안전한 취급을 위해 사용자는 개인 보호 장비(PPE)와 안면 보호구를 착용해야 합니다. 적절한 환기가 보장되어야 하며 삼키기, 흡입 및 피부, 눈 또는 의복에 묻은 물질과의 접촉을 피하기 위해 예방 조치를 취해야 합니다. 또한 먼지 발생을 방지하는 것이 중요합니다. 안전에 대한 자세한 내용은 옥살산 및 중탄산나트륨에 대한 안전보건자료(SDS)를 참조하십시오. 산성/염기 캡슐의 무결성을 유지하려면 직사광선과 높은 습도를 피해 보관하는 것이 좋습니다. 사용하지 않은 캡슐은 밀봉된 밀폐 용기에 보관하십시오. 캡슐을 건조하고 습기가 없는 상태로 유지하면 최적의 기능을 보장하기 위해 효과적으로 사용할 수 있습니다.

2. 실리콘 마개 제조

1. FDM(Fused Deposition Modeling) 3D 프린터( 재료 표 참조)를 사용하여 보충 파일 1에 제공된 STL 파일을 사용하여 몰드 플레이트를 인쇄합니다.
2. 각 구멍이 밀봉되도록 몰드 플레이트의 바닥면에 투명 포장 테이프를 붙입니다(그림 2A).
3. 시판되는 실리콘 몰드 재료의 중량 비율(예: 파트 A 및 파트 B 각각 50g)을 믹싱 컵에 혼합합니다( 재료 표 참조). 일회용 숟가락을 사용하여 약 5분 동안 또는 균일해질 때까지 화합물을 완전히 혼합합니다.
4. 종이 위에 포장 테이프가 있는 몰드 플레이트를 놓습니다. 종이는 몰드 플레이트에서 잠재적인 실리콘 유출을 포착합니다.
5. 실리콘 혼합물을 각 스토퍼 구멍에 붓기 시작하여 모두 채워졌는지 확인합니다(그림 2B). 고무 스퀴지를 사용하여 실리콘을 각 스토퍼 구멍에 펴 바릅니다(그림 2C). 몰드 플레이트 표면에서 남은 실리콘 혼합물을 제거합니다.
6. 고무 마개를 4시간 동안 말리십시오. 스토퍼가 완전히 경화되었는지 확인한 후(예: 실리콘 혼합물이 완전히 건조되고 경화됨) 몰드 플레이트 뒷면에서 테이프를 제거한 다음(그림 2D) 몰드에서 스토퍼를 당겨 빼내기 시작합니다(그림 2E).
7. 스토퍼에 부착된 여분의 실리콘을 제거합니다(그림 2F).

3. 풍선 태그 어셈블리

1. 피어싱 도구(예: 직선 덴탈 픽)를 실리콘 스토퍼(그림 3A)에 조심스럽게 삽입합니다( 재료 표 참조). 피어싱 도구를 15G 주사기 바늘에 삽입한 다음 실리콘 마개에서 피어싱 도구를 제거하고 내부에 15G 바늘만 남깁니다(그림 3B). 피어싱 도구는 재료를 자르거나 제거하지 않고 실리콘 마개 내부에 슬릿을 만듭니다.
2. 50파운드 낚싯줄( 재료 표 참조)을 150mm 길이로 자릅니다. 15G 주사기 바늘을 통해 실리콘 마개에 낚싯줄을 삽입합니다(그림 3C).
   1. 스토퍼와 낚싯줄을 조심스럽게 잡으면서 낚싯줄을 스토퍼 내부에 남겨 두고 스토퍼 본체에서 15G 주사기 바늘을 제거합니다(그림 3D). 낚싯줄 길이가 스토퍼의 양쪽에 고르게 있는지 확인하십시오.
3. 두 개의 산성/염기 분말로 채워진 캡슐을 라텍스 풍선에 삽입합니다(그림 3E)( 재료 표 참조). 고무 밴드 확장 도구(예: 거세 밴드 플라이어)를 사용하여 풍선 구멍을 확장한 다음 낚싯줄의 두 끝이 풍선 바깥쪽에 있도록 하나의 실리콘 마개를 풍선 구멍에 조심스럽게 삽입합니다(그림 3F).
4. 두 개의 O-링(너비 1.6mm, ID 8.1mm, 재료 표 참조)을 고무 밴드 확장 도구에 놓고 확장합니다. 두 개의 확장된 O-링을 통해 라텍스 풍선의 목을 삽입합니다(그림 3G). 고무 밴드 확장 도구에서 두 개의 O-링을 조심스럽게 당겨 빼내고 스토퍼 중앙에 있는 풍선의 목에 단단히 감겨 둡니다(그림 3H).

4. Sensor Fish caps에 풍선 태그 부착

1. 낚싯줄의 한쪽 끝을 Sensor Fish cap의 작은 구멍 중 하나에 넣고 ( 재료 표 참조) 캡 중앙의 큰 구멍을 통해 가져옵니다 (그림 4A).
2. 낚싯줄의 양쪽 끝을 함께 묶고 캡 상단과 풍선 바닥 사이에 약 13-26mm를 남겨 둡니다. 낚싯줄을 묶을 때 4개의 오버핸드 매듭을 서로 겹쳐서 사용하십시오.
3. 매듭에 너무 가깝게 자르면 매듭이 풀릴 수 있으므로 여분의 낚싯줄을 부착된 상태로 둡니다(그림 4B).
4. 손가락으로 매듭의 양쪽에 있는 낚싯줄을 잡고 최대한 세게 당겨 매듭을 테스트합니다. 풍선에 너무 가까이 당기면 고무 마개를 통해 낚싯줄이 의도치 않게 찢어질 수 있으므로 주의하십시오.

결과

풍선에 주입되는 물의 양과 온도에 초점을 맞춰 풍선 태그 제조를 위한 최적의 방법을 결정하기 위한 연구가 수행되었습니다. 이 연구는 인플레이션 시작 시간, 전체 인플레이션 시간, 디플레이션 시작 시간 및 최대 인플레이션 시 풍선의 부피를 포함한 다양한 입력 매개변수를 조사했습니다. 이 연구는 주변 온도가 21°C인 책상에서 수행되었습니다.

연구를 위해 총 360개의 풍...

토론

이 연구는 18.3°C에서 5mL의 물을 주입한 3캡슐 풍선 태그가 2캡슐 및 4캡슐 풍선 태그에 비해 시작 팽창 시간이 더 느리고 지속적으로 더 큰 부피를 가졌다는 결론을 내렸습니다. 풍선 태그에 12.7 °C에서 물을 주입했을 때 평균 부피가 작았고 팽창 시간이 길었습니다. 3 캡슐이 먼저 수축되기 시작하고, 4 캡슐이 그 뒤를 따르고, 마지막으로 2 캡슐이 수축되기 시작합니다. 각 수온과 관련된 인플레이?...

자료

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