Técnica de Fabricação de Balão Tag para Recuperação de Peixes Sensores e Peixes Vivos

Resumo

É apresentado um protocolo para projeto e fabricação de balões para recuperação de Sensores de Peixes e Peixes vivos, permitindo a avaliação de sua condição física e desempenho biológico em estruturas hidráulicas. O método otimiza o desempenho do balão ao considerar fatores como volume do balão, tempos de insuflação/deflação, seleção de componentes e características da água injetada.

Resumo

Os peixes podem sofrer ferimentos e mortalidade quando passam por transportes hidráulicos em barragens hidrelétricas, mesmo que esses transportes sejam projetados para serem amigáveis aos peixes, como sistemas de desvio a jusante, vertedouros modificados e turbinas. Os principais métodos utilizados para estudar as condições de passagem de peixes em estruturas hidráulicas envolvem testes diretos, in situ , utilizando a tecnologia Sensor Fish e peixes vivos. Os dados do Sensor Fish ajudam a identificar estressores físicos e suas localizações no ambiente de passagem dos peixes, enquanto os peixes vivos são avaliados quanto a lesões e mortalidade. As etiquetas de balão, que são balões auto-infláveis fixados externamente ao Sensor Fish e aos peixes vivos, auxiliam na sua recuperação após passarem por estruturas hidráulicas.

Este artigo se concentra no desenvolvimento de etiquetas de balão com números variados de cápsulas dissolvidas à base de vegetais contendo uma mistura de ácido oxálico, bicarbonato de sódio em pó e água em duas temperaturas diferentes. Nossa pesquisa determinou que os balões com três cápsulas, injetados com 5 mL de água a 18,3 °C, atingiram consistentemente o volume de balão desejado. Esses tags apresentaram volume médio de insuflação de 114 cm 3 com desvio padrão de 1,2 cm³. Entre os balões injetados com água a 18,3 °C, observou-se que os balões de duas cápsulas foram os que levaram mais tempo para atingir a inflação total. Além disso, os tags de balão de quatro cápsulas demonstraram um tempo de início de inflação mais rápido, enquanto os tags de balão de três cápsulas demonstraram um tempo de início de deflação mais rápido. Em geral, essa abordagem se mostra eficaz para validar o desempenho de novas tecnologias, melhorar o projeto da turbina e tomar decisões operacionais para melhorar as condições de passagem dos peixes. Serve como uma ferramenta valiosa para pesquisas e avaliações de campo, auxiliando no refinamento tanto do projeto quanto da operação de estruturas hidráulicas.

Introdução

A energia hidrelétrica é um importante recurso de energia renovável em todo o mundo. Nos Estados Unidos, a energia hidrelétrica contribui com cerca de 38% ou 274 TWh de eletricidade gerada a partir de fontes renováveis¹ e tem o potencial de adicionar aproximadamente 460 TWh por ano². No entanto, à medida que o desenvolvimento hidrelétrico aumenta, a preocupação com a injúria e mortalidade de peixes durante a passagem hidráulica tornou-se primordial³. Vários mecanismos contribuem para as lesões dos peixes durante a passagem, incluindo descompressão rápida (barotrauma), tensão de cisalhamento, turbulência, golpes, cavitação e trituração⁴. Embora esses mecanismos de lesão possam não ter impacto imediato na condição geral dos peixes, eles podem torná-los mais vulneráveis a doenças, infecções fúngicas, parasitas e predação⁵. Além disso, lesões físicas diretas resultantes de colisões com turbinas ou outras estruturas hidráulicas podem levar a mortalidade significativa, enfatizando a importância de mitigar esses riscos no desenvolvimento hidrelétrico.

Um dos métodos mais comuns para avaliar as condições de passagem dos peixes é a liberação de peixes sensores e peixes vivos através de estruturas hidráulicas ^6,7. O Sensor Fish é um dispositivo autônomo projetado para estudar as condições físicas que os peixes experimentam durante a passagem por estruturas hidráulicas, incluindo turbinas, vertedouros e alternativas de desvio de barragem ^8,9. Equipado com um acelerômetro 3D, giroscópio 3D, sensor de temperatura e sensor de pressão⁹, o Sensor Fish fornece dados valiosos sobre as condições de passagem dos peixes.

As etiquetas de balão, que são balões auto-infláveis fixados externamente ao Sensor Fish e aos peixes vivos, auxiliam na sua recuperação após passarem por estruturas hidráulicas. As etiquetas de balão consistem em cápsulas solúveis cheias de produtos químicos geradores de gás (por exemplo, ácido oxálico e bicarbonato de sódio), uma rolha de silicone e uma linha de pesca. Antes da implantação, a água é injetada através da rolha de silicone no balão. A água dissolve as cápsulas de base vegetal, desencadeando uma reação química que produz gás inflando o balão. Nessa reação de neutralização, o bicarbonato de sódio, uma base fraca, e o ácido oxálico, um ácido fraco, reagem formando dióxido de carbono, água e oxalato de sódio¹⁰. A reação química é fornecida abaixo:

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

O balão inflado aumenta a flutuabilidade dos peixes sensores e peixes vivos, permitindo que eles flutuem na superfície da água para uma recuperação mais fácil.

O número de etiquetas de balão necessárias para alcançar a flutuação e facilitar a recuperação de uma amostra (por exemplo, peixes sensores ou peixes vivos) pode variar com base nas características de volume e massa da amostra. A duração da insuflação da etiqueta do balão pode ser ajustada injetando água em diferentes temperaturas. A água mais fria aumentará o tempo de insuflação, enquanto a água mais quente diminuirá. As etiquetas de balão foram empregadas com sucesso em vários locais, incluindo a Tela dos Agricultores, uma estrutura única de tela horizontal de placa plana de peixes e detritos em Hood River, Oregon¹¹, e uma turbina Francis na Barragem Nam Ngum na República Democrática Popular do Laos¹². Outro exemplo de tag de balão disponível comercialmente é o Hi-Z Turb'N Tag^13,14. O Hi-Z Turb'N Tag permite que o tempo de inflação seja ajustado entre 2 min e 60 min, dependendo da temperatura da água injetada¹³. Essa tecnologia tem sido utilizada em estudos de peixes em muitos locais de campo, incluindo estudos envolvendo salmão Chinook liberado na represa Rocky Reach, no rio Columbia, e juvenis de sável americano na represa Hadley Falls, no rio Connecticut^15,16. Ambas as tecnologias utilizam reações químicas ácido-base para inflar as etiquetas do balão para recuperação.

Este método oferece custo-benefício e simplicidade na fabricação, com um custo de material estimado de apenas US $ 0,50 por balão. Como descrito aqui, o processo de fabricação é fácil de seguir, tornando a produção de etiquetas de balão acessível a qualquer pessoa.

Protocolo

1. Encapsulamento ácido/base

1. Misturar uma proporção de 1:2 em peso de H 2 C₂O₄ (ácido oxálico) e NaHCO₃ (bicarbonato de sódio) num copo de mistura (ver Tabela de Materiais). Se a mistura ácido-base em pó estiver cristalizada, triture-a com argamassa e pilão (Figura 1A).
2. Recupere as cápsulas de base vegetal tamanho 3 e a máquina de enchimento de cápsulas semiautomática para iniciar o processo (consulte a Tabela de Materiais).
3. Coloque a folha da tampa plana sobre uma superfície limpa e seca. Alinhe a folha de encapsulamento na parte superior da folha da tampa usando os pinos pretos para fixá-la corretamente no lugar (Figura 1B).
4. Separe as partes superiores e inferiores da cápsula, a menos que use cápsulas pré-separadas. As cápsulas vegetais tamanho #3, quando fechadas, têm dimensões totais de 15,9 mm de comprimento, 5,57 mm de diâmetro externo (DO), 0,30 mL de volume e pesam 47 mg.
5. Despeje as tampas da cápsula na folha de encapsulamento (Figura 1C). Agite suavemente os topos nos orifícios com um movimento circular. Ao fazer isso, cubra a lacuna na parede da folha de encapsulamento com uma mão ou um espalhador de pó para evitar derramar os topos (Figura 1D).
   1. Uma vez preenchidos os orifícios, despeje as tampas da cápsula em excesso em um copo limpo (Figura 1E). Identifique as tampas das cápsulas de cabeça para baixo e vire-as (Figura 1F). Certifique-se de que todas as tampas da cápsula estejam voltadas para a direção correta na folha da tampa. É importante garantir a orientação adequada, pois o alinhamento incorreto pode resultar na não união adequada dos topos das cápsulas com os fundos das cápsulas.
6. Retire a folha de encapsulamento e reserve a folha de tampa preenchida.
7. Retire o corpo ou a folha "inferior". Coloque-o em uma superfície limpa, seca e plana. Fixe a folha de encapsulamento na folha inferior, garantindo o alinhamento adequado utilizando os pinos pretos para posicioná-la corretamente no lugar.
8. Despeje os fundos da cápsula na folha de encapsulamento e agite como antes em um movimento circular para preencher os buracos. Despeje o excesso de fundos de cápsulas. Identifique os fundos da cápsula de cabeça para baixo e vire-os.
9. Remova a folha de encapsulamento da folha inferior e reserve-a.
10. Despeje a mistura ácido/base em pó sobre a folha de fundo preenchida (Figura 1G). Use um espalhador plástico para preencher o fundo da cápsula com o pó (Figura 1H). Verifique se todos os fundos da cápsula estão preenchidos (Figura 1I). Remova qualquer pó ácido/base não utilizado.
11. Coloque a folha da tampa em uma superfície plana e posicione a folha do meio em cima, alinhando-a com os pinos pretos para garantir um ajuste correto. Certifique-se de alinhar todos os topos da cápsula com os orifícios correspondentes na folha do meio.
12. Inverta a folha da tampa com a folha do meio afixada e alinhe-a com a folha inferior preenchida (Figura 1J).
13. Pressione suavemente a folha da tampa igualmente em todos os lados para unir as partes superiores e inferiores, encaixando ambos os lados da cápsula juntos (Figura 1K).
14. Remova a folha de tampa e a folha do meio da folha inferior. Neste ponto, os fundos e topos da cápsula devem estar devidamente unidos.
    1. Verifique se cada cápsula superior e inferior estão bem encaixadas; Caso contrário, pressione manualmente a parte superior e inferior da cápsula juntas para criar um ajuste apertado. Retire as cápsulas cheias e coloque-as em um recipiente hermético e selado (Figura 1L).
       OBS: Para um manuseio seguro, é imprescindível o uso de equipamentos de proteção individual (EPIs) e proteção facial. A ventilação adequada deve ser garantida e precauções devem ser tomadas para evitar a ingestão, inalação e contato com a substância na pele, olhos ou roupas. Além disso, é importante evitar a geração de poeira. Para obter informações detalhadas sobre segurança, consulte a ficha de dados de segurança (SDS) para ácido oxálico e bicarbonato de sódio. Para manter a integridade das cápsulas ácido/base, é aconselhável armazená-las longe da luz solar direta e da alta umidade. Armazene as cápsulas não utilizadas num recipiente selado e hermético. Desde que as cápsulas sejam mantidas secas e livres de umidade, elas podem ser usadas de forma eficaz para garantir a funcionalidade ideal.

2. Fabricação de rolha de silicone

1. Usando uma impressora 3D de modelagem de deposição fundida (FDM) (consulte Tabela de Materiais), imprima uma placa de molde usando o arquivo STL fornecido no Arquivo Suplementar 1.
2. Coloque uma fita de embalagem transparente na parte inferior da placa do molde para que cada abertura seja selada (Figura 2A).
3. Misture uma proporção de 1:1 em peso (por exemplo, 50 g cada uma das Partes A e B) do material do molde de silicone disponível comercialmente em um copo de mistura (consulte a Tabela de Materiais). Usando uma colher descartável, misture bem o composto químico por aproximadamente 5 min, ou até que ele se torne uniforme.
4. Coloque a placa do molde com a fita de embalagem sobre um pedaço de papel. O papel irá capturar qualquer derramamento potencial de silicone da placa do molde.
5. Comece despejando a mistura de silicone em cada orifício da rolha, garantindo que todos estejam preenchidos (Figura 2B). Use um rodo de borracha para espalhar o silicone em cada orifício da rolha (Figura 2C). Remova a mistura de silicone que sobrou da superfície da placa do molde.
6. Deixe as rolhas de borracha secarem por 4 h. Depois de certificar-se de que as rolhas estão totalmente curadas (por exemplo, a mistura de silicone secou completamente e endureceu), remova a fita da parte de trás da placa do molde (Figura 2D) e, em seguida, comece a retirar as rolhas do molde (Figura 2E).
7. Remova o excesso de silicone preso às rolhas (Figura 2F).

3. Montagem da etiqueta do balão

1. Insira cuidadosamente a ferramenta de perfuração (por exemplo, palito dentário reto) na rolha de silicone (Figura 3A) (consulte a Tabela de Materiais). Insira a ferramenta perfurante em uma agulha de seringa de 15 G e, em seguida, remova a ferramenta perfurante da rolha de silicone, deixando apenas a agulha de 15 G dentro (Figura 3B). A ferramenta perfurante criará uma fenda dentro da rolha de silicone sem cortar ou remover qualquer material.
2. Corte um pedaço de linha de pesca de 50 lb (ver Tabela de Materiais) até um comprimento de 150 mm. Insira a linha de pesca através da agulha da seringa de 15 G e na rolha de silicone (Figura 3C).
   1. Enquanto segura cuidadosamente a rolha e a linha de pesca juntas, remova a agulha da seringa de 15 G do corpo da rolha, deixando a linha de pesca dentro da rolha (Figura 3D). Certifique-se de que os comprimentos das linhas de pesca são uniformes em ambos os lados da rolha.
3. Insira duas cápsulas cheias de ácido/base em pó em um balão de látex (Figura 3E) (consulte a Tabela de Materiais). Expandir a abertura do balão usando a ferramenta de expansão de fita de borracha (ou seja, alicate de faixa de castração) e, em seguida, inserir cuidadosamente uma rolha de silicone na abertura do balão (Figura 3F), deixando as duas extremidades da linha de pesca fora do balão.
4. Coloque dois O-rings (1,6 mm de largura, 8,1 mm ID, consulte Tabela de Materiais) na ferramenta de expansão de banda de borracha e expanda-os. Inserir o pescoço do balão de látex através dos dois anéis O expandidos (Figura 3G). Puxe cuidadosamente os dois O-rings para longe da ferramenta de expansão da fita de borracha, deixando-os firmemente enrolados ao redor do pescoço do balão, centrados na rolha (Figura 3H).

4. Fixação da etiqueta do balão às tampas do peixe do sensor

1. Coloque uma extremidade da linha de pesca através de um dos pequenos orifícios na tampa do Sensor Fish (consulte a Tabela de Materiais) e leve-a através do grande orifício no centro da tampa (Figura 4A).
2. Amarre as duas extremidades da linha de pesca, deixando cerca de 13 a 26 mm entre o topo da tampa e a base do balão. Use quatro nós overhand um sobre o outro ao amarrar a linha de pesca.
3. Deixe a linha de pesca extra presa, pois cortá-la muito perto de um nó pode potencialmente fazer com que o nó seja desfeito (Figura 4B).
4. Teste o nó segurando a linha de pesca de cada lado do nó com os dedos e puxando o mais forte possível. Tenha cuidado para não se aproximar muito do balão, pois ele pode rasgar involuntariamente a linha de pesca através da rolha de borracha.

Resultados

Um estudo foi realizado para determinar os métodos ótimos para a fabricação de etiquetas de balão, com foco no volume e temperatura da água injetada no balão. O estudo examinou vários parâmetros de entrada, incluindo a hora de início da inflação, a hora de inflação completa, a hora de início da deflação e o volume do balão na inflação cheia. O estudo foi realizado em uma mesa com temperatura ambiente de 21 °C.

Um total de 360 balões foi preparado para o estudo. Os tags fo...

Discussão

Este estudo concluiu que os balões de três cápsulas injetados com 5 mL de água a 18,3 °C tiveram um tempo de insuflação inicial mais lento e volume consistentemente maior em comparação com os rótulos de balão de duas e quatro cápsulas. Quando os balões foram injetados com água a 12,7 °C, o volume médio foi menor e o tempo de insuflação foi maior. As três cápsulas começam a desinsuflar primeiro, seguidas pelas quatro cápsulas e, por último, as duas cápsulas. Os períodos de inflação e deflação ...

Materiais

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