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Engineering

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

Published: October 13, 2023 doi: 10.3791/65632
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Energy and Environment Directorate, Pacific Northwest National Laboratory

Summary

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.

Abstract

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 114cm3 con una desviación estándar de 1,2cm3. 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.

Introduction

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 ydepredación. 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 Tag13,14. 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 Connecticut15,16. 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.

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Protocol

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.

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Representative Results

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 de 360 etiquetas de balón para el estudio. Las etiquetas se dividieron en 36 conjuntos, cada uno de los cuales contenía 10 etiquetas de globos. Los conjuntos se clasificaron en función del número de cápsulas, incluidas dos, tres o cuatro cápsulas. Las etiquetas de cada juego se inyectaron con 5, 6, 7, 8, 9 o 10 ml de agua a temperaturas de 18,3 o 12,7 °C. Se eligió la temperatura de 12,7 °C como la temperatura más baja que aún permitía la disolución de la cápsula, mientras que 18,3 °C representaba la temperatura ambiente por motivos prácticos.

Los resultados mostraron que el inflado completo se produjo más rápido cuando se utilizó agua a 18,3 °C en comparación con 12,7 °C (Figura 5). La disolución más lenta de las cápsulas vegetales a temperaturas más bajas provocó un retraso en el inflado. Entre las condiciones probadas, los globos de tres cápsulas inyectados con 5 mL de agua a 18,3 °C exhibieron un tamaño constante, con un volumen promedio de 114 cm3 y una desviación estándar de 1,28cm3 (Tabla 1). A 18,3 °C, las etiquetas de balón de cuatro cápsulas demostraron un tiempo de inicio de inflado más rápido, mientras que las etiquetas de balón de tres cápsulas demostraron un tiempo de inicio de desinflado más rápido (Figura 6). Sin embargo, los tiempos de inflado completo para las etiquetas de balón de dos y cuatro cápsulas fueron casi idénticos. La cápsula de tres comienza a desinflarse primero, seguida de la de cuatro cápsulas y, por último, la de dos cápsulas.

Figure 1
Figura 1: Imágenes paso a paso que ilustran el proceso de llenado de cápsulas de reactivos de inflado de etiquetas de balón . (A) Mezcla y molienda de ácido oxálico y bicarbonato de sodio. (B) Alinear la hoja de encapsulación en la parte superior de la hoja de tapa. (C) Verter la parte superior de la cápsula en la hoja de encapsulación. (D) Agitar la parte superior en los orificios de la lámina de encapsulación. (E) Verter el exceso de tapas en una taza limpia. (F) Identificar la parte superior de las cápsulas invertidas y darles la vuelta. (G) Verter la mezcla de polvo ácido/base sobre la lámina inferior. (H) Esparcir el polvo para llenar el fondo de la cápsula. (I) Verificar que todos los fondos de las cápsulas estén llenos. (J) Invertir la hoja de tapa con la hoja central fijada y alinearla con la hoja inferior rellena. (K) Presionar hacia abajo la hoja de tapa para unir las cápsulas superior e inferior. (L) Asegurar un ajuste perfecto de la parte superior e inferior de cada cápsula. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Imágenes paso a paso que demuestran el proceso de fabricación de tapones de silicona para etiquetas de globos . (A) Sellar cada abertura con cinta de embalaje transparente en la parte inferior de la placa del molde. (B) Verter la mezcla de silicona en cada orificio del tapón. (C) Esparcir la silicona en cada orificio del tapón con una escobilla de goma con una escobilla de goma. (D) Quitar la cinta de la parte posterior de la placa del molde después de que los tapones se hayan curado. (E) Retirar los tapones del molde. (F) Eliminar cualquier exceso de silicona adherida a los tapones. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Fotos paso a paso que ilustran el montaje de una etiqueta de globo . (A) Insertar una herramienta de perforación en el tapón de silicona. (B) Insertar una herramienta de perforación en una aguja de jeringa de 15 G. (C) Cortar un trozo de 6 pulgadas de hilo de pescar de 50 libras y pasarlo a través de la aguja de la jeringa de 15 G y en el tapón de silicona. (D) Retirar la aguja de la jeringa de 15 G del tapón, dejando el hilo de pescar dentro. (E) Insertar dos cápsulas llenas de ácido/base en el globo de látex. (F) Expandir la abertura del globo con una herramienta de expansión de banda elástica e insertar un tapón de silicona. (G) Colocar dos juntas tóricas en la herramienta de expansión de banda elástica, expandirlas e insertar el cuello del globo de látex a través de las juntas tóricas expandidas. (H) Tirando con cuidado de dos juntas tóricas de la herramienta de expansión de la banda elástica, envolviéndolas firmemente alrededor del cuello del globo, centrado en el tapón. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Fotos paso a paso que demuestran el proceso de atar una etiqueta de globo a una tapa de Sensor Fish. (A) Enhebrar un extremo del hilo de pescar a través de un pequeño orificio en la tapa del Sensor Fish, pasarlo por el orificio central grande y atar ambos extremos juntos, dejando un espacio de 13 a 26 mm entre la parte superior de la tapa y la base del globo. (B) Etiqueta de globo adherida a una tapa de Sensor Fish. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Inflado de etiquetas de globo. Tiempo promedio de inflado de las etiquetas de globo con agua a (A) 12,7 °C y (B) 18,3 °C utilizando de 5 a 10 ml de agua para las etiquetas de globo de dos cápsulas (verde), tres cápsulas (azul) y cuatro cápsulas (gris). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Volumen y tiempo de inflado de las etiquetas de los globos. (A) Volúmenes de globos en el tiempo de inflado completo, y (B) tiempos promedio hasta el inicio del inflado, el inflado completo y el inicio del desinflado para etiquetas de globos de dos cápsulas (cuadrados), tres cápsulas (triángulos) y cuatro cápsulas (estrellas) con 5 ml de agua a 18,3 °C. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Temperatura del agua 18,3 °C 12,7 °C
Cantidad de cápsulas 2 3 4 2 3 4
Volumen medio 76.1 114 120 72.1 103 117
Desviación estándar 6.53 1.28 7.53 6.82 5.07 6.14

Tabla 1: Volumen promedio y desviación estándar (cm 3) de los globos de dos cápsulas, tres cápsulas y cuatro cápsulas después de inyectar 5 ml de agua a 18,3 °C y 12,7 °C.

Archivo complementario 1: Archivo STL para imprimir la placa del molde. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Ficha complementaria 2: Ácido cítrico. Haga clic aquí para descargar este archivo.

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Discussion

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. Los períodos de inflado y desinflado asociados con cada temperatura del agua pueden ser útiles en el campo. Para los estudios que requieren un tiempo de inflado más largo, el agua más fría puede resultar en un inflado más lento de las etiquetas del globo, lo que permite realizar pruebas en instalaciones grandes donde los peces o peces sensores pueden estar más ampliamente distribuidos y requerir un tiempo de recuperación más largo, similar a los estudios de campo realizados por Martínez et al.7,12. Se podría utilizar agua más caliente para aumentar la tasa de inflado para probar modelos de escala reducida y estructuras hidráulicas pequeñas, como pantallas de agricultores y turbinas hidráulicas a escala11,17.

Los pasos más críticos en la fabricación de las etiquetas de globo incluyen asegurarse de que los polvos de bicarbonato de sodio y ácido oxálico se mezclen bien con un mortero antes de la encapsulación. Esto producirá un compuesto químico finamente molido sin grumos que de otro modo podrían alterar la proporción química. Después de la fabricación, las cápsulas deben mantenerse alejadas de la luz solar directa y sellarse en un recipiente hermético para evitar la absorción de humedad del aire, que puede degradar las cápsulas de origen vegetal18.

La principal ventaja de este método es su rentabilidad y su sencillo proceso de fabricación. El costo estimado del material para producir un globo es de solo $0.50. Esto es ventajoso para estudios con presupuestos limitados que requieren un tamaño de muestra grande. Las etiquetas de los globos apoyarán los despliegues de Sensor Fish y las evaluaciones de supervivencia y lesiones de los peces en las presas hidroeléctricas y otras estructuras hidráulicas. Este método aborda la creciente necesidad de energía sostenible y de reemplazos continuos de turbinas en los Estados Unidos19. Después del despliegue de la nueva tecnología, es necesaria una evaluación de campo para validar las mejoras de diseño de la tecnología20. Los resultados de la evaluación también pueden proporcionar información para mejorar el diseño de las turbinas e informar las decisiones de gestión relativas al funcionamiento de las turbinas para mejorar las condiciones de paso de los peces21.

La fabricación y el uso de etiquetas para globos tienen ciertas limitaciones que deben tenerse en cuenta. El proceso de mezcla manual que utiliza un mortero para garantizar una mezcla completa de bicarbonato de sodio y polvos de ácido oxálico antes de la encapsulación puede llevar mucho tiempo y mano de obra, lo que limita la escalabilidad. Además, las cápsulas de origen vegetal utilizadas en las etiquetas requieren un almacenamiento cuidadoso lejos de la luz solar directa en un recipiente hermético para evitar la degradación, lo que agrega complejidad a la manipulación y el transporte, especialmente en entornos de campo. Además, el rendimiento de las etiquetas de globo depende de la temperatura, ya que el agua más fría da como resultado un volumen promedio más pequeño y un tiempo de inflado más largo, lo que limita su idoneidad para estudios que requieren períodos de inflado más cortos o pruebas en estructuras hidráulicas más pequeñas. Por el contrario, el agua más caliente puede aumentar la tasa de inflado, pero puede limitar la aplicabilidad en entornos más fríos o instalaciones más grandes que requieren tiempos de recuperación más largos. Estas limitaciones deben considerarse y abordarse cuidadosamente para el uso óptimo de las etiquetas de globo en diversos escenarios de investigación.

Para garantizar su seguridad al trabajar con productos químicos peligrosos, como los que se detallan en este manuscrito, es imperativo consultar la SDS para obtener una guía completa sobre su manejo y almacenamiento adecuados. En concreto, el ácido oxálico supone un riesgo para la salud humana si entra en contacto con la piel o se ingiere. Además, presenta sensibilidad al calor y puede reaccionar violentamente con agentes oxidantes, como los nitratos, lo que puede provocar incendios y explosiones22. Por lo tanto, al manipular ácido oxálico, es esencial trabajar con una campana extractora bien ventilada y usar EPP, como protección para los ojos, una máscara y guantes, para evitar lesiones o irritación.

El ácido cítrico puede servir como un producto químico alternativo para las etiquetas de los globos en lugar del ácido oxálico, principalmente debido a su reconocimiento por parte de la Administración de Alimentos y Medicamentos como una sustancia segura para su uso tanto en alimentos como en productos para la piel23. A diferencia del ácido oxálico, el ácido cítrico presenta una sensibilidad reducida al calor y es incompatible con agentes oxidantes, bases fuertes o ácidos. Al igual que con el ácido oxálico, la manipulación del ácido cítrico requiere el uso de una campana extractora bien ventilada y un EPP adecuado.

La reacción que involucra ácido cítrico (C6, H8O7) y bicarbonato de sodio (NaHCO3) en agua también genera dióxido de carbono (CO2) para inflar las etiquetas de los globos. Este proceso químico da como resultado la formación de citrato de sodio (Na3C6H5O7), agua y dióxido de carbono, como se ilustra en la siguiente ecuación:

C 6 H8O 7 + 3NaHCO 3 → Na 3 C6H5O 7 +3H2 O +3CO 2

La limitación del uso de ácido cítrico es que, para la misma masa de material (ácido + bicarbonato de sodio) almacenada dentro de la etiqueta del globo, la cantidad deCO2 generada es aproximadamente el 81% de lo producido por el ácido oxálico. Esta es una consideración crucial porque reduce el tamaño de la etiqueta de globo y la duración completa de inflado de la etiqueta de globo es más larga. Si se utiliza ácido cítrico en lugar de ácido oxálico, se recomienda utilizar una proporción de masa de 1:2 (bicarbonato de sodio a ácido cítrico) para lograr un volumen de balón de 46cm3 y un tiempo de inflado completo de 15 minutos. Para obtener más información, consulte el Archivo complementario 2: Ácido cítrico.

Esta investigación se centra en el desarrollo y la utilización de la tecnología de etiquetas de globos, una herramienta diseñada para localizar y ayudar a recuperar peces sensores y peces vivos después de que navegan a través de estructuras hidráulicas. El objetivo principal es mejorar la comprensión de cómo estas estructuras afectan a los animales acuáticos, facilitando en última instancia la creación de turbinas más respetuosas con los peces. Este enfoque no solo ofrece rentabilidad, sino que también abarca un proceso de fabricación sencillo que, cuando se optimiza, podría permitir la producción a gran escala de estas etiquetas. Además, estas etiquetas se pueden personalizar para adaptarse a diversas especies y entornos acuáticos. La investigación futura profundizará en la optimización del rendimiento de las etiquetas de globos en diferentes condiciones, explorando sus efectos en el comportamiento de los peces y abordando las preocupaciones ambientales. Si bien nuestros resultados preliminares son prometedores, se necesitan pruebas de campo exhaustivas para la validación en el mundo real y la evaluación de la durabilidad a largo plazo. En general, esta investigación tiene como objetivo promover el desarrollo sostenible y responsable de la energía hidroeléctrica al proporcionar una herramienta que ayude a evaluar y mitigar los impactos de las estructuras hidráulicas en los peces.

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Disclosures

Los autores no tienen conflictos de intereses.

Acknowledgments

Este estudio fue financiado por la Oficina de Tecnologías de Energía Hidráulica del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE, por sus siglas en inglés). Los estudios de laboratorio se llevaron a cabo en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, que es operado por Battelle para el DOE bajo el contrato DE-AC05-76RL01830.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Uria-Martinez, R., et al. U.S. Hydropower Market Report. Oak Ridge National Laboratory. , (2021).
  2. Kao, S., et al. New stream-reach development: a comprehensive assessment of hydropower energy potential in the United States. Oak Ridge National Laboratory. , (2014).
  3. Martinez, J. J., Deng, Z. D., Mueller, R., Titzler, S. In situ characterization of the biological performance of a Francis turbine retrofitted with a modular guide vane. Applied Energy. 276, 115492 (2020).
  4. Čada, G. lenn F. The development of advanced hydroelectric turbines to improve fish passage survival. Fisheries. 26, 14-23 (2001).
  5. Tuononen, E. I., Cooke, S. J., Timusk, E. R., Smokorowski, K. E. Extent of injury and mortality arising from entrainment of fish through a Very Low Head hydropower turbine in central Ontario, Canada. Hydrobiologia. 849, 407-420 (2020).
  6. Deng, Z., Carlson, T. J., Duncan, J. P., Richmond, M. C., Dauble, D. D. Use of an autonomous sensor to evaluate the biological performance of the advanced turbine at Wanapum Dam. Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2, 053104 (2010).
  7. Martinez, J. J., et al. Hydraulic and biological characterization of a large Kaplan turbine. Renewable energy. 131, 240-249 (2019).
  8. Zhiqun Deng,, et al. Six-degree-of-freedom sensor fish design and instrumentation. 7, 3399-3415 (2007).
  9. Deng, Z. D., et al. Design and implementation of a new autonomous sensor fish to support advanced hydropower development. Review of Scientific Instruments. 85, 115001 (2014).
  10. Deng, Y., Jia, Y., Haoran, L. Effects of ionicity and chain structure on the physicochemical properties of protic ionic liquids. AIChE Journal. 66 (10), e16982 (2020).
  11. Salalila, A., Deng, Z. D., Martinez, J. J., Lu, J., Baumgartner, L. J. Evaluation of a fish-friendly self-cleaning horizontal irrigation screen using autonomous sensors. Marine and Freshwater Research. 70, 1274-1283 (2019).
  12. Martinez, J., et al. In situ characterization of turbine hydraulic environment to support development of fish-friendly hydropower guidelines in the lower Mekong River region. Ecological engineering. 133, 88-97 (2019).
  13. Heisey, P. G., Mathur, D., D'Allesandro, L. A new technique for assessing fish passage survival at hydro power stations. International Atomic Energy Agency. , (1993).
  14. Heisey, P. G., Mathur, D., Rineer, T. A reliable tag-recapture technique for estimating turbine passage survival: application to young-of-the-year American shad (Alosa sapidissima). Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 49 (9), 1826-1834 (1992).
  15. Mathur, D., Heisey, P. G., Euston, E. T., Skalski, J. R., Hays, S. Turbine passage survival estimation for chinook salmon smolts (Oncorhynchus tshawytscha) at a large dam on the Columbia River. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 53 (3), 542-549 (1996).
  16. Mathur, D., Heisey, P. G., Robinson, D. A. Turbine-passage mortality of juvenile American shad at a low-head hydroelectric dam. Transactions of the American Fisheries Society. 123 (1), 108-111 (1994).
  17. Watson, S., et al. Safe passage of American Eels through a novel hydropower turbine. Transactions of the American Fisheries Society. 151, 711-724 (2022).
  18. Al-Tabakha, M. oawia M., et al. Influence of capsule shell composition on the performance indicators of hypromellose capsule in comparison to hard gelatin capsules. Drug Development and Industrial Pharmacy. 41 (10), 1726-1737 (2015).
  19. Hydropower Vision. U.S. Department of Energy. , https://www.energy.gov/eere/water/articles/hydropower-vision-report-full-report (2016).
  20. Duncan, J. oanne P., et al. Physical and ecological evaluation of a fish-friendly surface spillway. Ecological Engineering. 110, 107-116 (2018).
  21. Trumbo, B. radly A., et al. Improving hydroturbine pressures to enhance salmon passage survival and recovery. Reviews in fish biology and fisheries. 24, 955-965 (2014).
  22. Pohanish, R. P. Sittig's handbook of toxic and hazardous chemicals and carcinogens. , William Andrew Publishing. (2017).
  23. U.S. Food and Drug Administration. CFR - Code of Federal Regulations Title 21. , Available from: https://www.accessdata.fda.gov/scripts/cdrh/cfdocs/cfcfr/CFRSearch.cfm?fr=184.1033 (1994).

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Salalila, A., Martinez, J., Tate, A., Acevedo, N., Salalila, M., Deng, Z. D. Balloon Tag Manufacturing Technique for Sensor Fish and Live Fish Recovery. J. Vis. Exp. (200), e65632, doi:10.3791/65632 (2023).

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