センサーフィッシュと活魚回収のためのバルーンタグ製造技術

サマリー

センサーフィッシュと生きた魚を回収するためのバルーンタグを設計および製造するためのプロトコルが提示され、水理構造物での物理的状態と生物学的性能の評価が可能になります。この方法では、バルーンの体積、膨張/収縮時間、コンポーネントの選択、注入された水の特性などの要因を考慮して、バルーンタグの性能を最適化します。

要約

魚は、水力発電ダムの水力輸送を通過するときに、下流のバイパスシステム、改造された余水吐、タービンなど、魚に優しいように設計されていても、怪我や死亡を経験する可能性があります。水理構造物の魚の通過条件を研究するために使用される主な方法は、センサーフィッシュ技術と生きた魚を使用した直接の in situ テストです。センサーフィッシュのデータは、魚の通過環境における物理的なストレス要因とその位置を特定するのに役立ち、生きた魚は怪我や死亡率について評価されます。バルーンタグは、センサーフィッシュや生きた魚に外部に取り付けられた自己膨張式のバルーンで、水力構造物を通過した後の回復を助けます。

この記事では、シュウ酸、重炭酸ナトリウム粉末、および2つの異なる温度の水の混合物を含む、さまざまな数の溶解性植物ベースのカプセルを備えたバルーンタグの開発に焦点を当てています。私たちの研究では、18.3°Cで5 mLの水を注入した3つのカプセルを備えたバルーンタグが、一貫して目的のバルーン容量を達成することがわかりました。これらのタグの平均膨張体積は114cm3で、標準偏差は1.2cm3でした。18.3°Cで水を注入したバルーンタグのうち、2カプセルのバルーンタグが完全に膨張するまでに最も長い時間がかかったことが観察されました。さらに、4カプセルのバルーンタグは膨張開始時間が速く、3カプセルのバルーンタグは収縮開始時間が速いことが示されました。全体として、このアプローチは、新技術の性能を検証し、タービン設計を改善し、魚道条件を改善するための運用上の決定を下すのに効果的であることが証明されています。これは、研究やフィールド評価のための貴重なツールとして機能し、油圧構造の設計と操作の両方の改良に役立ちます。

概要

水力発電は、世界的に重要な再生可能エネルギー資源です。米国では、水力発電は再生可能エネルギー源から発電される電力の推定38%にあたる274TWhに貢献し^{ており1、年間約}460TWhを追加する可能性があります2。しかし、水力発電の開発が進むにつれて、水力航路中の魚の怪我や死亡に関する懸念が最重要課題となっています³。急激な減圧(気圧外傷)、せん断応力、乱流、ストライク、キャビテーション、粉砕など、さまざまなメカニズムが通過中の魚の損傷に寄与^{します4。}これらの損傷メカニズムは、魚の全体的な状態にすぐに影響を与えることはないかもしれませんが、病気、真菌感染症、寄生虫、捕食に対してより脆弱になる可能性があります⁵。さらに、タービンやその他の水力構造物との衝突による直接的な人身傷害は、重大な死亡につながる可能性があり、水力発電開発においてこれらのリスクを軽減することの重要性が強調されています。

魚の通過状態を評価するための最も一般的な方法の1つは、水理構造を介してセンサーフィッシュと生きた魚を放流することです^6,7。Sensor Fishは、タービン、余水吐、ダムバイパスの代替案^8,9などの水理構造物を通過する際に魚が経験する物理的条件を研究するために設計された自律デバイスです。3D加速度計、3Dジャイロスコープ、温度センサー、圧力^{センサー9}を搭載したセンサーフィッシュは、魚の通過状況に関する貴重なデータを提供します。

バルーンタグは、センサーフィッシュや生きた魚に外部に取り付けられた自己膨張式のバルーンで、水力構造物を通過した後の回復を助けます。バルーンタグは、ガス発生化学物質(シュウ酸や重炭酸ナトリウムなど)で満たされた溶解可能なカプセル、シリコンストッパー、釣り糸で構成されています。展開する前に、シリコンストッパーからバルーンに水が注入されます。水は植物ベースのカプセルを溶かし、化学反応を引き起こしてガスを生成して風船を膨らませます。この中和反応では、弱塩基である炭酸水素ナトリウムと弱酸であるシュウ酸とが反応して、二酸化炭素、水、シュウ酸ナトリウムを形成する¹⁰。化学反応を以下に示します。

2NaHCO₃+_{H2 C2O}4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C ₂O₄

膨らませたバルーンは、センサーフィッシュと生きた魚の浮力を高め、水面に浮かび上がらせて回復を容易にします。

浮遊選鉱を達成し、サンプル(センサーフィッシュや生きた魚など)の回収を容易にするために必要なバルーンタグの数は、サンプルの体積と質量の特性によって異なる場合があります。バルーンタグの膨張時間は、異なる温度で水を注入することで調整できます。水が冷たいと膨張時間が長くなり、水が温かいと膨張時間が短くなります。バルーンタグは、オレゴン州フッドリバーのユニークな水平平板の魚と破片のスクリーン構造であるファーマーズスクリーン¹¹や、ラオス人民民主共和国のナムグムダムのフランシス水車¹²など、さまざまな場所で成功裏に採用されています。別の市販のバルーンタグの例は、Hi-Z Turb'N Tag^13,14です。Hi-Z Turb'N Tagは、注入された水温に応じて、膨張時間を2分から60分の間で調整することができます¹³。この技術は、コロンビア川のロッキーリーチダムで放流されたチヌークサーモンのスモルトや、コネチカット川のハドリーフォールズダムで放流されたアメリカシャッドの稚魚に関する研究など、多くの野外で魚類の研究に使用されています^15,16。どちらの技術も、酸塩基化学反応を利用してバルーンタグを膨らませて回収します。

この方法は、製造における費用対効果とシンプルさを提供し、バルーンあたりの推定材料費はわずか0.50ドルです。ここで説明したように、製造プロセスは簡単にたどることができ、誰でもバルーンタグの製造にアクセスできます。

プロトコル

1. 酸/塩基封入

1. ミキシングカップでH₂C 2 O₄(シュウ酸)およびNaHCO₃(重炭酸ナトリウム)の重量で1:₂の比率で混合する(材料表を参照)。酸塩基粉末混合物が結晶化している場合は、乳鉢と乳棒を使用して粉砕します(図1A)。
2. サイズ3の植物性カプセルと半自動カプセル充填機を取り出して、プロセスを開始します( 材料表を参照)。
3. キャップシートを清潔で乾燥した面に平らに置きます。黒いペグを使用してカプセル化シートをキャップシートの上に合わせ、所定の位置に正しく固定します(図1B)。
4. 事前に分離されたカプセルを使用しない限り、カプセルの上部と下部を分離します。.サイズ#3の植物性カプセルは、閉じたとき、長さ15.9 mm、外径(OD)5.57 mm、体積0.30 mL、重量47 mgの全体寸法を有する。
5. カプセルトップをカプセル化シートに流し込みます(図1C)。円を描くように、上部を穴にそっと振ってください。その間、カプセル化シートの壁の隙間を片手またはパウダースプレッダーで覆い、上部がこぼれないようにします(図1D)。
   1. 穴がふさがれたら、余分なカプセルトップを清潔なカップに注ぎます(図1E)。逆さまになったカプセルトップを特定し、裏返します(図1F)。すべてのカプセルトップがキャップシートの正しい方向を向いていることを確認します。位置合わせを誤ると、カプセルの上部がカプセルの下部と適切に結合しなくなる可能性があるため、適切な向きを確保することが重要です。
6. カプセル化シートをはがし、充填されたキャップシートを脇に置きます。
7. 本体または「ボトム」シートを取り出します。清潔で乾燥した平らな面に置きます。カプセル化シートを下部シートに固定し、黒いペグを使用して正しい位置に配置して、適切な位置合わせを確保します。
8. カプセルの底をカプセルシートに注ぎ、前と同じように円を描くように振って穴を埋めます。余分なカプセルの底を注ぎます。逆さまになったカプセルの底を特定し、裏返します。
9. 下部シートからカプセル化シートをはがし、脇に置きます。
10. 充填されたボトムシートに酸/塩基粉末の混合物を注ぎます(図1G)。プラスチック製のスプレッダーを使用して、カプセルの底に粉末を充填します(図1H)。カプセルの底部がすべて満たされていることを確認します(図1I)。未使用の酸/塩基粉末を取り除きます。
11. キャップシートを平らな面に置き、中央のシートを上に置き、黒いペグに合わせ、正しくフィットするようにします。すべてのカプセルトップを中央のシートの対応する穴に合わせてください。
12. キャップシートを貼った中央のシートで反転させ、充填された下部シートに合わせます(図1J)。
13. キャップシートのすべての側面を均等に軽く押し下げて上部と下部を結合し、カプセルの両側を合わせます(図1K)。
14. キャップシートとミドルシートを下部シートから取り外します。この時点で、カプセルの底と上が適切に結合されている必要があります。
    1. 各カプセルの上部と下部がしっかりと取り付けられていることを確認します。そうでない場合は、カプセルの上部と下部を手動で押して、ぴったりとフィットさせます。充填したカプセルを取り出し、密閉可能な容器に入れます(図1L)。
       注意: 安全に取り扱うには、個人用保護具(PPE)と顔の保護具を着用することが不可欠です。十分な換気を確保し、摂取、吸入、および皮膚、目、または衣服の物質との接触を避けるための予防措置を講じる必要があります。.また、粉塵の発生を防ぐことも重要です。安全性の詳細については、シュウ酸および炭酸水素ナトリウムの安全データシート(SDS)を参照してください。酸/塩基カプセルの完全性を維持するために、直射日光や高湿度を避けて保管することをお勧めします。未使用のカプセルは密閉された密閉容器に保管してください。カプセルが乾燥した状態に保たれ、湿気がない状態であれば、効果的に使用して最適な機能を確保することができます。

2.シリコーンストッパーの製造

1. 溶融堆積モデリング(FDM)3Dプリンター( 材料表を参照)を使用して、 補足ファイル1のSTLファイルを使用してモールドプレートを印刷します。
2. モールドプレートの底面に透明な梱包テープを貼り、各開口部が密閉されるようにします(図2A)。
3. 市販のシリコーンモールド材料を重量比1:1(例えば、パートAとパートBをそれぞれ50g)混合カップに混合する( 材料表参照)。使い捨てスプーンを使用して、化合物を約5分間、または均一になるまで完全に混合します。
4. パッキングテープで型板を紙の上に置きます。紙は、モールドプレートからこぼれる可能性のあるシリコンをキャッチします。
5. シリコーン混合物を各ストッパー穴に注ぎ始め、それらがすべて満たされていることを確認します(図2B)。ゴム製のスキージを使用して、シリコンを各ストッパー穴に広げます(図2C)。モールドプレートの表面から残ったシリコーン混合物を取り除きます。
6. ゴム栓を4時間乾かします。ストッパーが完全に硬化したことを確認した後(たとえば、シリコーン混合物が完全に乾燥して硬化した)、モールドプレートの背面からテープをはがし(図2D)、ストッパーを金型から引き出し始めます(図2E)。
7. ストッパーに付着している余分なシリコンをすべて取り除きます(図2F)。

3.バルーンタグの組み立て

1. ピアスツール(ストレートデンタルピックなど)をシリコンストッパー(図3A)に慎重に挿入します( 材料表を参照)。ピアスツールを15Gのシリンジ針に挿入し、15Gの針だけを残してシリコンストッパーからピアスツールを取り外します(図3B)。ピアスツールは、材料を切断したり取り除いたりすることなく、シリコンストッパーの内側にスリットを作成します。
2. 50ポンドの釣り糸( 材料表を参照)を150mmの長さにカットします。釣り糸を15Gのシリンジ針に通し、シリコンストッパーに挿入します(図3C)。
   1. ストッパーと釣り糸を慎重に保持しながら、釣り糸をストッパー内に残して、ストッパー本体から15Gのシリンジ針を取り外します(図3D)。釣り糸の長さがストッパーの両側で均等であることを確認してください。
3. 酸/塩基粉末で満たされた2つのカプセルをラテックスバルーンに挿入します(図3E)( 材料表を参照)。輪ゴム拡張ツール(去勢バンドプライヤーなど)を使用してバルーンの開口部を広げ、釣り糸の両端をバルーンの外側に残して、1つのシリコンストッパーをバルーンの開口部に慎重に挿入します(図3F)。
4. 2つのOリング(幅1.6 mm、内径8.1 mm、 材料表を参照)をラバーバンド拡張ツールに配置し、拡張します。ラテックスバルーンの首を2つの拡張Oリングに挿入します(図3G)。2つのOリングを輪ゴムバンド拡張ツールから慎重に引き離し、ストッパーの中央でバルーンの首にしっかりと巻き付けたままにします(図3H)。

4.センサーフィッシュキャップへのバルーンタグの取り付け

1. 釣り糸の一端をセンサーフィッシュキャップの小さな穴の1つに通し( 資料表を参照)、キャップの中央にある大きな穴に通します(図4A)。
2. 釣り糸の両端を結び、キャップの上部とバルーンの底の間に約13〜26mmを残します。釣り糸を結ぶときは、4つのオーバーハンドノットを重ねて使用します。
3. 余分な釣り糸は、結び目に近づきすぎると結び目がほどけてしまう可能性があるため、取り付けたままにしておきます(図4B)。
4. 結び目の両側の釣り糸を指でつかみ、できるだけ強く引っ張って、結び目をテストします。風船に近づきすぎると、ゴム栓を通して釣り糸が意図せず引き裂かれる可能性があるため、注意してください。

結果

バルーンタグの最適な製造方法を検討するため、バルーンに注入する水の量と温度に着目して検討を行いました。この研究では、インフレ開始時間、フルインフレ開始時間、デフレ開始時間、フルインフレ時のバルーンの体積など、さまざまな入力パラメータを調べました。この研究は、周囲温度が21°Cの机で行われました。

この研究のために、合計360個のバルーンタグが準備されました。タグは36セットに分けられ、各セットには10個のバルーンタグが含まれていました。セットは、2カプセル、3カプセル、または4カプセルを含むカプセルの数に基づいて分類されました。各セットのタグに、18.3°Cまたは12.7°Cの温度で5、6、7、8、9、または10mLの水を注入しました。 カプセルの溶解が可能な最低温度は12.7°C、実用性を考慮して室温は18.3°Cとしました。

その結果、12.7°Cの水を使用した場合と比較して、18.3°Cの水を使用した場合の方が完全に膨張するのが速くなることが示されました(図5)...

ディスカッション

この研究では、18.3°Cで5 mLの水を注入した3カプセルのバルーンタグは、2カプセルおよび4カプセルのバルーンタグと比較して、開始膨張時間が遅く、一貫して体積が大きいと結論付けられました。バルーンタグに12.7°Cの水を注入すると、平均体積が小さくなり、膨張時間が長くなりました。3カプセルが最初に収縮し始め、次に4カプセル、最後に2カプセルが収縮します。各水温に関連する膨張期間と収縮期間は、現場で役立ちます。より長い膨張時間を必要とする研究では、水温が低いとバルーンタグの膨張が遅くなる可能性があり、Martinezらが実施したフィールド調査と同様に、魚やセンサーフィッシュがより広く分布し、より長い回収時間を必要とする大規模な施設での試験が可能になります^7,12。より暖かい水は、縮小スケールモデルや、ファーマースクリーンやスケール付き水力タービンなどの小さな水力構造物をテストするためのインフレ率を上げるために利用することができます^11,17

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
3Dプリントシリコンストッパープレート	NA	NA
ARC800センサー魚	ATS	NA
FDM 3DプリンターNA		NA
手動カプセルフィラーマシンCN-400CL(サイズ#3)	Capsulcn	NA
モールドスター15 SLOW	Smooth-On	NA
耐油Buna-N OリングMcMaster-Carr		SN:9262K141
シュウ酸、98%、無水粉末(C2H2O4)	サーモサイエンティフィック	CAS:144-62-7
輪ゴム拡張ツール	iplusmileNA
分離野菜セルロースカプセル(サイズ#3)	カプセル接続	NA
スマイリーフェイスヨーヨーラテックスバルーン	YoYo		NA
重炭酸ナトリウム粉末(CHNaO3)	シグマ	CAS:144-55-8
スペクトルファイバー編組釣り糸(50ポンド)	パワープロ	NA