Methodenartikel

Bau eines Low-Cost mobilen Inkubator für Feld und Labor

DOI:

10.3791/58443

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19. März 2019

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Sanitation, Water & Solid Waste for Development, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology (Eawag), 2Department of Environmental Microbiology, Eawag, 3Department of Environmental Social Sciences, Eawag, 4Department of Urban Water Management, Eawag

In diesem Artikel

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dieses Papier beschreibt eine Methode für den Aufbau ein anpassungsfähig, Low-Cost und transportablen Brutkasten für mikrobielle Tests des Trinkwassers. Unser Design kann basiert auf weithin verfügbaren Materialien und unter einer Reihe von Bedingungen, und bietet dennoch die Vorteile der High-End Labor-basierte Modelle.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gründerzentren sind unerlässlich für eine Reihe von Kultur-basierte mikrobiellen Methoden wie Membranfiltration, gefolgt von Anbau für die Beurteilung der Qualität des Trinkwassers. Allerdings sind handelsübliche Inkubatoren oft teuer, schwer zu transportieren, nicht flexibel in Bezug auf Volumen, und/oder lokalen Feldbedingungen schlecht angepasst wo Zugriff auf das Stromnetz unzuverlässig. Der Zweck dieser Studie war, anpassungsfähig, Low-Cost und transportablen Brutkasten zu entwickeln, die mit leicht verfügbaren Komponenten konstruiert werden können. Der elektronische Kern des Inkubators wurde zuerst entwickelt. Diese Komponenten wurden dann unter verschiedenen Umgebungstemperaturen (3,5 ° C - 39 ° C) mit drei Arten von Inkubator Schalen (Styropor-Box, harte Kühlbox und Karton mit einer Rettungsdecke bedeckt) getestet. Der elektronische Kern zeigten vergleichbaren Leistung zu einem Standardlabor Inkubator im Hinblick auf den Zeitaufwand, die eingestellte Temperatur, innere Temperaturstabilität und räumliche Streuung, Stromverbrauch und mikrobielles Wachstum zu erreichen. Der Inkubator-Set-ups waren auch wirksam bei moderaten und niedrigen Umgebungstemperaturen (zwischen 3,5 ° C und 27 ° C), und bei hohen Temperaturen (39 ° C) bei der Brutkasten Temperatur höher war. Dieser Inkubator-Prototyp ist günstig (< 300 USD) und anpassungsfähig an eine Vielzahl von Materialien und Mengen. Die abnehmbare Struktur macht es leicht zu transportieren. Es kann in beiden etablierten Laboratorien mit Netzstrom oder Ferneinstellung angetrieben durch Sonnenenergie oder eine Autobatterie verwendet werden. Es eignet sich besonders als eine Ausstattungsoption für Feld Labore in den Bereichen mit begrenztem Zugang zu Ressourcen für die Überwachung der Wasserqualität.

Einleitung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kultur-basierte Methoden zur Erkennung von mikrobiellen Verunreinigungen sind Stand für Wasseranalytik Qualität sowohl Industrie- und Entwicklungsländern1,2. Mikroorganismen sind in vielen Umgebungen vorhanden und erfordern unterschiedliche Temperaturbedingungen für optimales Wachstum. Rahmenbedingungen für temperaturstabile Inkubation ist daher eine Voraussetzung für die zuverlässige Erkennung von mikrobiellen Verunreinigungen in Trinkwasser Sorge. Nach der World Health Organization sind Escherichia coli (E. Coli) (oder alternativ Thermotolerant Coliformen (TTC)) die am besten geeignete Indikatoren für fäkale Verunreinigungen im Trinkwasser3. Erkennung dieser Organismen besteht aus, z. B. Filtern eine 100 mL Wasserprobe durch eine Membran, gefolgt von Bebrütung der Membran auf Selektivmedien bei 35-37 ° C (E. Coli) oder 44-45 ° C (TTC)3.

Feld-basierte Anwendungen Kultur-basierter Methoden geworden in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Unter nachhaltiger Entwicklung Ziel 6, Ziel 6.1, haben Regierungen regelmäßig Bericht bakteriologische Qualität des Trinkwassers auf der nationalen Ebene4verpflichtet. Neben solchen öffentlichen Gesundheit Überwachung Bemühungen Betriebsüberwachung der Wasser-Infrastruktur regelmäßig auf lokaler oder regionaler Ebene5erfolgt. Diese Überwachung und monitoring-Kampagnen sind oft an abgelegenen Orten, wo die erforderlichen Labortests Infrastruktur unzureichend oder nicht verfügbar ist. 6 in ähnlicher Weise sind Kultur-basierte Methoden verbreitet in medizinischer Diagnostik und mikrobiologische Forschung, wo lokale Kliniken und Forschungsinstituten werden, mit begrenzten Ressourcen angefochten können und unsicheren Netzteile7.

In den oben genannten Zusammenhängen sind konventionellen Inkubatoren oft unzureichend oder nicht verfügbar. Als Alternative wurden speziell für den Einsatz außerhalb des Labors, z. B. die Aquatest Projekt8, Universität von Bristol, Vereinigtes Königreich Feld Inkubatoren entwickelt; DelAgua9, Marlborough, Vereinigtes Königreich; oder Aquagenx10, University of North Carolina, Vereinigte Staaten von Amerika. Diese Geräte sind jedoch relativ klein im Volumen, wodurch die Anzahl der Samples, die gleichzeitig verarbeitet werden können. Feld-Inkubatoren auf dem Markt werden auch nicht ausgelegt, unter sehr niedrig (< 20 ° C) oder sehr hohe Umgebungstemperatur (> 40 ° C), ihre Verwendung in der Wüste oder alpine Umgebung erschwert. Weitere alternative Lösungen Joghurt-Herstellung Geräte11, Körper-Gürtel und Phasenwechsel Inkubatoren12. Jedoch können solche unkonventionellen Inkubatoren zuverlässig funktionieren oder belastend für11betreiben.

Daher besteht die Notwendigkeit für einen Inkubator, der die Vorteile der Labor-basierte Modelle (Benutzerfreundlichkeit, größeres Volumen, und Temperaturgenauigkeit) bietet während der verbleibenden Bereich einsetzbar (Low-Cost, leicht transportiert und gepflegt, Robustheit, ein Bereich der Umgebungstemperaturen, energieeffizient und widerstandsfähig gegenüber intermittierenden Netzteile) (Tabelle 1). Dieses Protokoll dient zum detail des Fertigungsprozess eine kostengünstige Inkubator entwickelt, um die Vorteile der konventionellen und Feld-basierte Modelle unter Verwendung allgemein verfügbare Material zu optimieren.

CharakteristischLabor-basierteFeldOptimiert
Benutzerfreundliches designfigure-introduction-1figure-introduction-2figure-introduction-3
Große Kapazitätfigure-introduction-4figure-introduction-5figure-introduction-6
Robust, breite Palette von Umgebungstemperaturenfigure-introduction-7figure-introduction-8figure-introduction-9
Konstante Temperaturfigure-introduction-10figure-introduction-11figure-introduction-12
Low-costfigure-introduction-13figure-introduction-14figure-introduction-15
Leicht zu transportierenfigure-introduction-16figure-introduction-17figure-introduction-18
Energie-effizientfigure-introduction-19figure-introduction-20figure-introduction-21
Unterbrochene Stromversorgung widerstandsfähigfigure-introduction-22figure-introduction-23figure-introduction-24

Tabelle 1: Eigenschaften der handelsüblichen Inkubatoren (Labor und Feld) und der optimierten Ansatz.

Das folgende Protokoll der Versammlung gibt den benötigten Materialien und Schritte für den Aufbau des Inkubators. Es gliedert sich in vier Schritten: Erstens, Montage des Heizkörpers; zweite, Montage der Steuereinheit; Dritte, Montage von den Inkubator elektrischen Kern; und Viertens: Montage des Inkubators. Dieses Protokoll erklärt den Bau der elektronischen Kern des Inkubators, die mit einer Vielzahl von Schalen der Inkubator arbeiten können. Sehen Sie die Tabelle der Materialien für eine vollständige Liste aller Komponenten, die in das Protokoll und ihre technischen Spezifikationen verwendet. Das Protokoll unten präsentiert ein Funktionsbeispiel des Inkubators Feld, aber flexible Nutzung der unterschiedlichen Komponenten ist möglich, solange sie die elektrischen Anforderungen erfüllen. Mit verschiedenen Komponenten beeinflussen könnten die Leistungen des Inkubators. Es wird empfohlen, den Bau und die Verdrahtung von elektrischen Komponenten durch einen Fachmann im elektrischen Feld erfolgen.

Protokoll

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. die Heizeinheit

  1. Sammeln Sie die folgenden Komponenten (Abbildung 1):
    figure-protocol-1Stützplatte (280 x 250 mm) mit erforderlichen Verankerung Löcher
    figure-protocol-2Axialventilator (60 x 60 x 25 mm); 2 x
    figure-protocol-3Abstandhalter (Länge 20 mm, Innendurchmesser 4,25 mm (M4)); 4 x
    figure-protocol-4Glanz-Terminal mit drei pins
    figure-protocol-5Schraubenmutter (M4); 4 X und (M3); 1 x
    figure-protocol-6Unterlegscheibe (M4); 8 X und (M3); 1 x
    figure-protocol-7Schrauben (M4); 4 X und (M3); 1 x

figure-protocol-8
Abbildung 1: Einzelkomponenten des Heizkörpers.  figure-protocol-9 Stützplatte, figure-protocol-10 Axialventilatoren, figure-protocol-11 Abstandshalter, figure-protocol-12 Glanz Terminal figure-protocol-13 Muttern, figure-protocol-14 Unterlegscheiben und figure-protocol-15 Schrauben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. Die erforderlichen Bohrungen (Abbildung 2) in die Trägerplatte figure-protocol-16 die Axialventilatoren sichern figure-protocol-17 sowie die Glanz-Terminal figure-protocol-18 (Abbildung 1).

figure-protocol-19
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Stützplatte. Indikationen der Verankerung Bohrlöcher in die Trägerplatte, die Axialventilatoren sowie die Glanz-Terminal zu beheben. Entfernungen sind in Millimeter angegeben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. Verankern Sie die Axialventilatoren figure-protocol-20 in der Mitte auf der Trägerplatte figure-protocol-21 wie in Abbildung 3 dargestellt mit zwei M4 Schrauben, Muttern und Scheiben figure-protocol-22 , figure-protocol-23 , figure-protocol-24 pro Ventilator. Verwenden Sie die Abstandshalter figure-protocol-25 lassen Sie einen Abstand zwischen den Fans und der Trägerplatte (Abbildung 3).
  2. Verankern der Glanz-Terminal figure-protocol-26 auf der Trägerplatte figure-protocol-27 mit M3-Schraube, Mutter und Unterlegscheibe. Befestigen Sie die Kabel-Fans. (Abbildung 3).
  3. Verbinden Sie das Lüfterkabel mit dem Glanz-Terminal. Verbinden Sie die positive Kabel für jeden Fan zusammen und das negative Kabel jeden Fan zusammen (Abbildung 3). Der Geschwindigkeitssensor ist nicht erforderlich.

figure-protocol-28
Abbildung 3: Axialventilatoren auf Trägerplatte fixiert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Hinweis: Die Kabelfarben erwähnt entsprechen denen, die in den Figuren verwendet. Die Kabelfarben können je nach dem verwendeten Material ändern.

2. Steuergerät (Stromversorgung)

  1. Sammeln Sie die folgenden Komponenten:
    figure-protocol-29Universal Gehäuse (hier 200 x 120 x 60 mm, sondern durch Größe hängt von der Größe der DC/DC-Wandler und der PID-Temperaturregler)
    figure-protocol-30Ein/aus-Schalter
    figure-protocol-31DC/DC-Wandler, Eingangsspannungsbereich 9 - 36V, Ausgangsspannung 12V
    figure-protocol-32PID-Temperaturregler, 12-35 V/DC Betriebsspannung
    figure-protocol-33Kabelverschraubung M12 x 15 mm, Klemmung reichen 2-7,5 mm (oder je nach verwendeten Kabels)
    figure-protocol-34Temperaturfühler Pt100
    figure-protocol-35AC-Stromversorgung
    Hinweis: Inkubator kann mit dem Stromnetz oder an eine Batterie angeschlossen werden. Im Falle der Netzbetrieb AC-Stromversorgung ist erforderlich und wird das Gerät ausschließlich an Stromnetz angeschlossen ist, der DC/DC-Wandler ist nicht zwingend erforderlich. Bei Akku-Betrieb der DC/DC-Wandler wird dringend empfohlen, und ein zwei-Draht-Kabel anstelle der AC-Stromversorgung erforderlich ist. Dieses Protokoll stellt die Version mit dem DC/DC-Wandler und die AC-Stromversorgung. Ein Schaltplan der elektrischen Kern Inkubator wird in das ergänzende Material (Abbildung S1) erläutert.
  2. Fräsen Sie die Öffnungen für die PID-Temperaturregler, ein-/aus-Schalter und Kabelverschraubungen in das Gehäuse mit einer Bohrmaschine und Stichsäge oder Instrument entspricht (Abbildung 4).

figure-protocol-36
Abbildung 4: Schematische Darstellung des allgemeinen Gehäuses. (a) Angaben, legen Sie den Temperaturregler figure-protocol-37 , ein-/Ausschalter figure-protocol-38 und Kabelverschraubungen figure-protocol-39 in das universelle Gehäuse; Entfernungen sind in Millimeter angegeben. (b) 3D Ansicht des allgemeinen Gehäuses. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. Verbinden Sie den DC/DC-Wandler mit ein-/Ausschalter: Schließen Sie das Pluskabel der Netzadapter an der ein-/Ausschalter und das Minuskabel von der Netzadapter an der "-Vin" des DC/DC-Wandlers (Abbildung 5).
  2. Verwenden Sie ein Kabel, um den ein-/Ausschalter auf "+ Vin" des DC/DC-Wandlers (Abbildung 5) zu verbinden.

figure-protocol-40
Abbildung 5: montiert Einheit zu kontrollieren Universal Gehäuse figure-protocol-41 mit DC/DC-Wandler figure-protocol-42 verbunden mit PID-Temperaturregler figure-protocol-43 und ein-/Ausschalter figure-protocol-44 . Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. Verbinden Sie die Kabel der Heizeinheit mit der PID-Temperaturregler (Abbildung 6) folgt:
    1. Schließen Sie die Klemme "1" der PID-Temperaturregler zum "DC –" Draht von der Heizung Anschluss und zu den "-Vout" terminal des DC/DC-Wandlers.
    2. Verbinden die "DC +" Draht zu der Heizeinheit auf die Klemme "4" der PID-Temperaturregler sowie über das terminal "2" von der PID-Temperaturregler (siehe Punkt 3.2).
    3. Schließen Sie das terminal "2" von der PID-Temperaturregler auf "+ Vout" terminal des DC/DC-Wandlers.
    4. Verbinden Sie die Klemme "5" von der PID-Temperaturregler mit den "Befehl" Draht geht am Heizelement. (siehe Punkt 3.2).
    5. Temperatur-Sensor an die Klemmen "10", "11" und "12" anschließen.
      Hinweis: Das rote Kabel des Temperaturfühlers muss mit terminal "11" von der PID-Temperaturregler verbunden sein.
  2. Verankern Sie der DC/DC-Wandler mit Velcro-Klebeband an der Unterseite des Gehäuses zu, und schließen Sie das universelle Gehäuse.

figure-protocol-45
Abbildung 6: Kabel-Anschluss der DC/DC-Wandler mit PID Temperaturregler. DC/DC-Wandler figure-protocol-46 , PID Temperaturregler figure-protocol-47 , Verbindung zum Inkubator (Kabel A) und Verbindung mit Temperaturfühler (Kabel B). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Hinweis: Die Funktionen der PID Temperatur Controller Terminals verwendet sind in Tabelle 2angegeben.

PID Temperaturregler terminalFunktion
Klemme "1"Eingang zu versorgen +
Das Terminal "2"Versorgung-Eingang-
Klemme "4"Ausgabe gemeinsamer Steuerkontakt
Klemme "5"Kontrolle-Ausgang Schließer-Kontakt

Tabelle 2: Funktionen entsprechend den PID-Temperatur-Controller-Terminals.

3. Montage der elektrischen Kern Inkubator

  1. Sammeln Sie die folgenden Komponenten:
    Heizeinheit von Abschnitt 1
    Steuergerät aus Abschnitt 2
    figure-protocol-48Folien, selbstklebend, 100 x 200 mm, 12 V/20 W, Heizung 2 X
  2. Verbinden Sie die Anschlusskabel von der Steuereinheit, die Heizeinheit (Abbildung 7) folgt:
    1. Schließen Sie das "DC -" Kabel von der Steuereinheit mit einem Dirigenten aller die Heizfolien und der negative Draht für jeden Fan.
    2. Verbinden Sie das "DC +" Kabel aus der Steuereinheit mit dem positiven Kabel für jeden Fan.
    3. Verbinden Sie das "Befehl" Kabel von der Steuereinheit, die verbleibenden zwei Leiter der Heizfolien.

figure-protocol-49
Abbildung 7: Kabel-Anschluss der Heizung Folien figure-protocol-50 mit PID Temperaturregler. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Hinweis: Der ausgefüllte Feld Inkubator elektrischen Kern des Inkubators ist in Abbildung 8dargestellt.

figure-protocol-51
Abbildung 8: Komplette Feld Inkubator elektrischen Kern. Heizeinheit figure-protocol-52 , Steuergerät figure-protocol-53 und Temperaturfühler figure-protocol-54 . Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

4. Montage des Inkubators

  1. Sammeln Sie die folgenden Komponenten:
    Inkubator elektrischen Kern
    Inkubator-Schale (hier Schaum Polystyrol Box, aber kann jede Art von Feld aus Isolierstoff gemacht werden)
    Rack zu unterstützen (hier ein Metall rack, kann jedoch ein anderes Material)
  2. Platzieren Sie die Inkubator Komponenten zusammen, wie folgt (Abb. 9):
    1. Legen Sie die Inkubator-Shell auf die Seite, so dass die Öffnung des Inkubators (Tür) sich auf einer Seite befindet.
    2. Legen Sie die Trägerplatte mit der Heizeinheit am unteren Rand der Inkubator-Shell.
    3. Platzieren Sie die Unterstützung Zahnstange auf das Heizelement, wobei ein Raum von mindestens 10 cm zwischen der Heizung und der Unterstützung Rack.
    4. Legen Sie den Temperaturfühler auf Unterstützung Rack und in den Inkubator zu sichern.
  3. Bohren Sie Löcher in die Tür des Inkubators, um den Eintrag von Kabeln (Abbildung 9) zu ermöglichen.
  4. Den Inkubator an die Stromquelle anschließen.
  5. Schalten Sie den Inkubator und passen Sie die Einstellungen der PID-Temperaturregler (siehe Tabelle S1 in das ergänzende Material für detaillierte Einstellungen).

figure-protocol-55
Abbildung 9: komplette Feld Inkubator. Öffnen (links) und geschlossen (rechts). Heizeinheit figure-protocol-56 , Rack unterstützen figure-protocol-57 , Temperaturfühler figure-protocol-58 , Steuergerät figure-protocol-59 , Inkubator Schale figure-protocol-60 und Löcher für die Kabel in den Inkubator-Shell (eingekreisten Bereich). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Bemerkung: Die Schale des Inkubators kann eine Schachtel mit jeder Art von Material. Es wird empfohlen, ein isolierendes Material zu verwenden, und das Feld schließt dicht um die Wärmeabfuhr zu vermeiden. Unterstützung Rack sollte enthalten große Löcher um die Ansammlung von Hitze im Rack zu vermeiden kann, und das Material Metall oder andere (z.B. Kunststoff).

Ergebnisse

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Zuverlässigkeit der eine robuste Feld Inkubator liegt in seiner Fähigkeit zu erreichen und aufrechtzuerhalten eine eingestellte Temperatur unter verschiedenen Bedingungen. Um die Leistung der verschiedenen Inkubator-Setups zu überwachen, die folgenden Messungen wurden: Zeit zum Erreichen der eingestellten Temperatur, Effekt des Öffnens der Tür für eine Minute, Leistungsaufnahme über 24 Stunden Betrieb, innere Temperatur-Stabilität über 24 Geschäftszeiten und Beobachtung des Wachstums von E. Coli . Die Temperatur in die Brutmaschine wurde jede Minute mit 4 Temperatur Protokollierung Geräte in verschiedenen Positionen in der Struktur (Unterstützung Rack, Wand, oben, innen eine Wachstumsfuge) gemessen. Die eingestellte Temperatur erreicht werden, wenn alle Messungen innerhalb von Plus oder minus 2 ° C waren galt die ist der zulässige Bereich für die Inkubation von E. Coli. 13

Der elektronische Kern wurde getestet mit drei Arten von Muscheln, mit Materialien, die in der Regel in vielen Ländern zu finden sind: eine Styropor-Box (78 Liter), eine harte Kunststoff Kühlbox (30 Liter) und einen Karton mit einer Rettungsdecke (46 Liter) ( bedeckt Abbildung 10). Um ein Spektrum von Umgebungsbedingungen, die im Bereich erlebt werden kann, wurden diese Inkubator-Set-ups bei drei Umgebungstemperaturen getestet: ambient (ca. 27 ° C), kalt (etwa 3,5 ° C und 7,5 ° C) und heißen (ca. 39 ° C). Performance-Maßnahmen wurden getestet, innere Temperatur bei 37 ° C und 44,5 ° c einstellen

Die Zeit zum Erreichen der eingestellten Temperatur in den Inkubatoren wurde von der Umgebungstemperatur und dem Material der Schale Inkubator beeinflusst. Bei einer Umgebungstemperatur von etwa 27 ° C erreicht die drei Inkubatoren-Setups die eingestellten Temperaturen (37 ° C und 44,5 ° C) in einer ähnlichen Zeit (Abbildung 11a und Abbildung 12a) und vergleichbar mit der Leistung der ein standard-Inkubator (Tabelle 3). In kalten Umgebungen (3,5 ° C und 7,5 ° C) erreicht die Inkubatoren mit dicker Schalen, d. h. die Polystyrol-Hartschaum und Kühlbox, die Ziel-Solltemperaturen (37 ° C und 44,5 ° C) in einer ähnlichen Zeit; etwa viermal länger als unter einer Umgebungstemperatur von 27 ° C. Mit seiner unteren Isolierung erreicht der Karton mit Rettungsdecke nie vollständig die eingestellten Temperaturen unter kalten Umgebungstemperaturen (Abbildung 11 b und Abbildung 12 b). In einer warmen Umgebung (39 ° C) erreicht die drei Inkubator-Set-ups die Zieltemperatur von 44,5 ° C in weniger als 10 Minuten (Bild 12 c). Jedoch wenn die eingestellte Temperatur von 37 ° C, d. h. niedriger als die Umgebungstemperatur, war keiner der Inkubatoren konnte senken die Temperatur, was zu Überhitzung für alle drei Inkubator set Ups (Abbildung 11 c).

Die Umgebungstemperatur und die Art der Inkubator Shell beeinflusst die Wirkung des Öffnens der Tür des Inkubators für eine Minute. Der Wärmeverlust in der kalten Umgebung größer war, und die Zeit, um die innere Solltemperatur erholen war länger, mit Ausnahme der Karton Inkubator, wo die Gruppe, die Temperaturen nie waren erreicht (Abbildung 13 und Abbildung 14 b). In den wärmeren Umgebungen war der Wärmeverlust begrenzt, und die Gruppe, die Temperaturen in weniger als 10 Minuten (Abbildung 13ac und Bild 14ac) geborgen wurden. In einer Umgebungstemperatur von 39 ° C und eingestellte Temperatur von 37 ° C das Öffnen der Tür nicht dazu führen, dass noch reduzieren, eine Überhitzung der Inkubatoren (Abbildung 13 c).

Der Stromverbrauch erhöht mit kalten Umgebungen und mit einer Erhöhung der eingestellten Temperatur. Besser isolierenden Inkubator Schalen (Polystyrol-Hartschaum und Kühlbox) zeigte einen reduzierten Stromverbrauch im Vergleich zu den Karton-Inkubator. In ähnlichen Umgebungen (Umgebungstemperatur von etwa 27 ° C) die drei Inkubator Set-ups verbraucht 0,22 bis 0,52 kWh/24 h weniger Energie als der standard Inkubatoren getestet (Tabelle 3).

Die Temperatur im Inkubator konstant über 24 Stunden mit allen Arten von Inkubator Muscheln und Umgebungstemperatur getestet (Abbildung 13 und Abbildung 14). Geringfügige Abweichungen von der gemessenen Temperatur im Vergleich zu der eingestellten Temperatur wurden entsprechend der Position des Temperatur-Protokollierung-Gerät im Inkubator beobachtet. Mit Ausnahme der Tests mit der Umgebungstemperatur (39 ° C) wärmer als die eingestellte Temperatur (37 ° C) (Abbildung 13 c) waren die Temperaturschwankungen alle innerhalb der 2 ° C zulässige Bereich für E. Coli Inkubation.

Alle Tests wurden in Anwesenheit von E. Coli und coliforme Summenmessung Materialien (Membranfilter gebrachten Wachstumsfuge) durchgeführt. Wiederholungen einer Probe wurden in jeder Inkubator-Set-up und ein standard-Inkubator für Vergleich gelegt. In allen Einstellungen und Bedingungen war das Wachstum von E. Coli und total Coliform erfolgreich und das Wachstum beobachtet im Inkubator standard vergleichbar. Eine Zusammenfassung der Inkubator Konfigurationen und Umgebungs-Temperatur-Bedingungen getestet mit Ergebnisse sind in Tabelle 3dargestellt.

Test 1:
Zeit, Temperatur einstellen		Test 2:
Seitentür öffnen eine minute		Test 3:
Stromverbrauch über 24-Stunden-Zeitraum		Test 4:
Temperaturschwankung über 24-Stunden-Zeitraum		Test 5:
E. Coli Wachstum beobachtet
UmgebungstemperaturEingestellte Temperatur(min)Maximaler Verlust von Temperatur (° C); Zeit zur Wiederherstellung der Solltemperatur (min)(kWh/24 h)Absolute maximale Temperatur (° C); absolute minimale Temperatur (° C) *(Ja / Nein)
Styropor-box3,5 ° C37 ° C4510 ° C; 17 min.0.7837; 35,5Ja
7,5 ° C44,5 ° C7416,5 ° C; 31 min.0,8944,5; 42,5ND†
27 ° C37 ° C122,5 ° C; 3 min0,2837,5; 36,5Ja
44,5 ° C204,5 ° C; 7 min.0,4344,5; 43,5ND†
39 ° C37 ° C0 (Überhitzung)2 ° C; 0 min (Überhitzung)0,1142,5; 42Ja
44,5 ° C73,5 ° C; 5 min0,1745; 43,5ND†
Harte Kühlbox3,5 ° C37 ° C548 ° C; 10 min0,8637,5; 36Ja
7,5 ° C44,5 ° C9612 ° C; 30 min1.0545; 43ND†
27 ° C37 ° C131,5 ° C; 0 min0,2737,5; 36,5Ja
44,5 ° C252 ° C; 4 min0,5045; 43,5ND†
39 ° C37 ° C0 (Überhitzung)1 ° C; 0 min (Überhitzung)0,1143; 42,5Ja
44,5 ° C94 ° C; 3 min0,1945,5; 44,5ND†
Karton mit Rettungsdecke3,5 ° C37 ° CNie erreichte (stabile Temperatur nach 109 min)6,5 ° C. stabile Temperatur nach 30 min1.2433,5; 30,5Ja
7,5 ° C44,5 ° CNie erreichte (stabile Temperatur nach 120 min)8 ° C; stabile Temperatur nach 20 min1.2836,5; 32ND†
27 ° C37 ° C152,5 ° C; 6 min0,4236,5; 35,5Ja
44,5 ° C243 ° C; 8 min0.7044,5; 42,5ND†
39 ° C37 ° C0 (Überhitzung)1,5 ° C; 0 min (Überhitzung)0,1141,5; 40Ja
44,5 ° C92 ° C; 0 min0,2045; 43,5ND†
Standard-Inkubator27 ° C37 ° C181 ° C; 0 min (Überhitzung)0.6438,5; 36ND†
44,5 ° C23 (Überhitzung)2,5 ° C; 0 min0.9547,5; 43,5ND†

Tabelle 3: Zusammenfassung der Ergebnisse für den Inkubator Konfigurationen und Umgebungstemperatur getestet. * Test 4: Absolute maximale und minimale Temperaturen aufgezeichnet während der stabile Perioden, d. h. von 10 Minuten nach dem Ende eines störenden Ereignisses (Zeit zum Erreichen der Solltemperatur, die Tür zu öffnen). † ND: Keine Daten, keine Testlauf.

figure-results-1
Abbildung 10: Inkubator Muscheln getestet. Offen (obere Reihe) und geschlossen (untere Zeile). Styropor Box (links), Dicke von 3,5 cm, äußere Abmessungen 39 x 56 x 36 cm; harte Kunststoff Kühler Box (Mitte), 2,5 cm dicke, äußeren Abmessungen 32 x 41 x 47 cm; Karton (rechts) mit einem standard Rettungsdecke mit einer Dicke von 12 µm bedeckt gefaltet zweimal, äußere Abmessungen 30 x 42 x 37 cm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

figure-results-2
Abbildung 11: Zeit, um die eingestellte Temperatur (37 ° C) von den Inkubator-Set-ups unter verschiedenen Umgebungstemperaturen zu erreichen. Aufführungen von Inkubatoren mit einer Schale aus einer Styropor-Box, eine harte Kühlbox und einen Karton mit einer Rettungsdecke bedeckt. Im Raum Umgebungstemperatur (a), kalter Umgebungstemperatur (b)und warme Umgebungstemperatur (c). Temperaturen auf die Unterstützung Rack der Inkubatoren aufgezeichnet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

figure-results-3
Abbildung 12: Zeit, um die eingestellte Temperatur (44,5 ° C) von den Inkubator-Set-ups unter verschiedenen Umgebungstemperaturen zu erreichen. Aufführungen von Inkubatoren mit einer Schale aus einer Styropor-Box, eine harte Kühlbox und einen Karton mit einer Rettungsdecke bedeckt. Im Raum Umgebungstemperatur (a), kalter Umgebungstemperatur (b)und warme Umgebungstemperatur (c). Temperaturen auf die Unterstützung Rack der Inkubatoren aufgezeichnet.  Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

figure-results-4
Abbildung 13: Temperaturschwankungen über 24-Stunden-Zeitraum und Wirkung der Türöffnung unter verschiedenen Umgebungstemperaturen. Eingestellte Temperatur von 37 ° C. Aufführungen von Inkubatoren mit einer Schale aus einer Styropor-Box, eine harte Kühlbox und einen Karton mit einer Rettungsdecke bedeckt. Im Raum Umgebungstemperatur (a), kalter Umgebungstemperatur (b)und warme Umgebungstemperatur (c). Eingekreisten Bereiche zeigen die Temperaturschwankungen durch die Türöffnung für eine Minute. Temperaturen auf die Unterstützung Rack der Inkubatoren aufgezeichnet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

figure-results-5
Abbildung 14: Temperaturschwankungen über 24-Stunden-Zeitraum und Wirkung der Türöffnung unter verschiedenen Umgebungstemperaturen. Eingestellte Temperatur von 44,5 ° C. Aufführungen von Inkubatoren mit einer Schale aus einer Styropor-Box, eine harte Kühlbox und einen Karton mit einer Rettungsdecke bedeckt. Im Raum Umgebungstemperatur (a), kalter Umgebungstemperatur (b)und warme Umgebungstemperatur (c). Eingekreisten Bereiche zeigen die Temperaturschwankungen durch die Türöffnung für eine Minute. Temperaturen auf die Unterstützung Rack der Inkubatoren aufgezeichnet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

figure-results-6
Abbildung S1: Schaltplan der Inkubator elektrischen Kern Verkabelung. Alternativen für Netzbetrieb und Akku-Betrieb sind angegeben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

ParameterAusgewählten Wert
1Art der SteuerausgangSteuern, Q1 / Q2 Alarm
2Typ des angeschlossenen SensorsPT100 (-200 bis 140 ° C)
3Untergrenze für Sollwert wählbar0
4Obergrenze für Sollwert wählbar50
5Art der SteuerungHeizung
6ON/OFF Hysterese und Totzone für P.I.D Kontrolle0
7Proportionale Bandbreite des Prozesses, ausgedrückt in Einheiten (° C Wenn Temperatur)1
8Nachstellzeit. Gheit des Prozesses, ausgedrückt in Sekunden80,0
9Vorhaltezeit für P.I.D20.0
10Zykluszeit für die Zeit-Proportionierung Ausgabe10
11Zulassen/verweigern Sie Änderung der Sollwerte von frontalen TastaturÄnderung der alle Sollwerte zu ermöglichen
12Software-Filter. Anzahl der Messungen, den Vergleich berechnen Wert PV-SPV10
13Art des Abschlusses° C
14Art der KühlflüssigkeitLuft

Tabelle S1: PID-Temperatur-Controller-Einstellungen. Anzeige der eingestellten Werte; andere Parameter nicht erforderlich zu den Inkubator verkehren blieben auf Standardwerte zurück.

Diskussion

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Unter nachhaltiger Entwicklung Ziel 6.1 steigt die Nachfrage für die Wasser-Qualität-Probenahme, vor allem in entlegenen ländlichen Gebieten wo Überwachung Praktiken weniger etablierten14sind. Ein großes Hindernis für die Durchführung regelmäßiger Wasserqualität in diesen Einstellungen testen ist schlechter Zugang zu Labors der mikrobiellen Methoden6unterstützt. Dieses Papier stellt eine Methode für eine zuverlässige Inkubator, hergestellt aus Materialien, die relativ billig und überall verfügbar sind. Die elektrischen Komponenten sind relativ leicht zu beschaffen und zu montieren, erfordert Fachwissen nur begrenzt. Darüber hinaus die Brutkasten-Shell-Design ist flexibel und von lokal verfügbaren Materialien konstruiert werden kann. Dies ist vor allem wünschenswert für Reisende an remote-Standorten, da Platz für unser Gepäck für eine schwere und sperrige Shell nicht benötigt wird. Abhängig von der Shell verwendet das Volumen des Inkubators ist auch anpassungsfähig und kann angepasst werden, um einen bestimmten Stichprobenumfang aufzunehmen. Die vorgestellte Aufbau können gebrauchte auf - und netzunabhängige, es robust, Stromausfälle oder fehlen zuverlässige elektrische Versorgung macht. Während bestimmte Einschränkungen zu beobachten waren, dieses Set-up, in der Regel erwies sich als wirksam unter verschiedenen Umgebungstemperaturen (3,5 ° C bis 39 ° C).

Es gibt mehrere Schritte im Protokoll, die entscheidend zur Erreichung einer Inkubator Design für seine Bedürfnisse geeignet sind. Die erste ist die Auswahl der elektrischen Komponenten des Inkubators. Alternative Komponenten können basierend auf den Preis oder die lokale Verfügbarkeit gewählt werden. Je nach gewählten Materials und deren technische Spezifikationen kann der Inkubator Leistungen im Vergleich zu den vorgestellten Ergebnisse geändert. Ein weiterer wichtiger Schritt in dem Protokoll ist die Wahl des Shell-Material, die gemacht werden sollten anhand des erwarteten Bereichs Umgebungstemperaturen, lokale Stromversorgung und Verfügbarkeit der Materialien. Bei niedrigeren Umgebungstemperaturen (< 25 ° C) eine Schale aus Polystyrol-Hartschaum gebaut und eine harte Kühlbox wird empfohlen, eine eingestellte Temperatur von 37 ° C auf 44,5 ° c zu erreichen Basierend auf den experimentellen Daten vorgestellt, setzen diese USV können erwarten, dass die eingestellte Temperatur in 45-96 Minuten erreichen und verbrauchen 0.78 - 1,05 kWh / 24h in kalten Umgebungen (3,5 bis 7,5 ° C). Der Karton mit Rettungsdecke wird nicht empfohlen für den Einsatz bei niedrigeren Umgebungstemperaturen da dies nie erreichte einzurichten, dass eine stabile Temperatur während der experimentellen Beobachtungsperiode eingestellt. Bei mäßiger Temperatur (27 ° C) sind die Shell-Typen getestet akzeptabel, mit ähnlich leicht höhere Leistungsaufnahme beobachtet für die Karton-Box-Set auf. Bei höheren Umgebungstemperaturen (39 ° C) neigten die hier vorgestellten Inkubator-Designs auf Überhitzung, wenn, wenn die eingestellte Temperatur sogar noch höher (d. h. 44,5 ° C) war. Daher würden solche Bedingungen erfordern eine Kühleinrichtung oder in einem klimatisierten Raum verwenden.

Die Kosten für den Bau des hier vorgestellten Inkubators war etwa 300 USD als Materialien in der Schweiz bezogen wurden. Diese Kosten können jedoch deutlich an verschiedenen Standorten, vor allem, wenn die Versandkosten für die elektronischen Kernkomponenten auf ein Minimum reduziert werden kann. Änderung der verschiedenen Komponenten im Protokoll beschrieben kann weiter senken. Das Protokoll hier vorgestellten ist begrenzt, da es nur drei Shell Materialtypen an zwei Solltemperaturen sowie Überprüfung des mikrobiellen Wachstums für E. Coli nur vergleicht. Zukünftige Forschung sollte die Eignung dieser Inkubator Konstruktion unter eine größere Reichweite des Temperatur-Parameter und mit zusätzlichen mikrobielle Indikatorarten (z. B. Enterococcus) und Krankheitserreger (z. B. Salmonellen, Vibrio testen. Cholerae). Zukünftige Forschung sollte auch auf die Entwicklung der effektiven Kühltechniken innerhalb der Inkubator konzentrieren, die für den Einsatz in sehr warmer Umgebung (> 40 ° C) erlauben würde.

Unseres Wissens gibt es keine anderen bekannten Bereich Inkubator, die anpassungsfähige Kapazität bietet und ist leicht zerlegbar, während noch transportabel und Low-Cost. Diese innovative Alternative zu handelsüblichen Inkubatoren erfüllt ein Bedürfnis für Behörden und Organisationen mit Wasserqualität und anderen Kultur-basierte Tests zielen wo paar Laboreinrichtungen zur Verfügung stehen. In Kombination mit einfachen Wasserqualität Prüfgeräte helfen dieser Inkubator Praktiker mit begrenzten Kapazitäten, dauerhaft oder saisonal Labors zu einem vernünftigen Preis zu etablieren. Durch die Erhöhung der Anzahl der Laboratorien in abgelegenen Gebieten, werden Anstrengungen zur Durchführung von regelmäßigen Wasser Qualitätsüberwachung oder erreichen pünktlich Überwachung der Systembetrieb immer machbar.

Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

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Diese Forschung wurde von der Direktion für Entwicklungszusammenarbeit und REACH-Programm geförderten UK Hilfe seitens des britischen Ministeriums für internationale Entwicklung (DFID) zugunsten der Entwicklungsländer (Widder-Code 201880) unterstützt. Die geäußerten Ansichten und die darin enthaltenen Informationen sind nicht unbedingt die der oder gebilligt durch diese Agenturen, die keine Verantwortung für solche Ansichten oder Informationen oder Vertrauen auf sie gesetzt annehmen können. Die Autoren danken auch Arnt Diener für seine Beiträge zur frühen Iterationen der Polystyrol-Hartschaum-Inkubator-Prototyp.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
HeizfolieThermo2115337Selbstklebend 10x20 cm; Betriebsspannung 12V; Leistung 20W
AxiallüfterYen Sun Technology Corp.FD126025MB6x6x2,5 cm; Betriebsspannung 12VDC; Leistung 1,44 W; Max. Stromaufnahme 60mA
PID-TemperaturreglerWachendorff Automation GmbH & Co. KGUR3274SPID-Regler 32x74 mm; Universeller Eingang für Prozesssignale, Thermoelemente, Pt100; Betriebsspannung 24 VDC; Ausgänge (Thermostate) 10 A Relais, 5 A Relais, SSR, RS 485
Temperaturfühler Pt100Conrad198466Temperaturbereich -100° C bis 200°; C; Sensor Pt100, Typ FS-400P
UniversalgehäuseOKW Gehä use SystemC2012201Abmessungen 200 x 120 x 60 mm
DC/DC-WandlerTraco PowerTMDC 60-2412Nennspannung 24 VDC; Eingangsspannung 9-36 VDC; Ausgangsspannung 12 VDC; Max. Ausgangsstrom 5 A; Stromversorgung 60W
NetzteilBicker ElektronikBET-0612Ausgangsspannung 12 VDC; Max. Ausgangsstrom 5 A; Eingangsspannung 115-230 VAC
SpacerSchä fer Elektromechanik20/4Ohne Gewinde; Fadenstärke M4; Styropor; Abstand 20 mm
KabelverschraubungWISKA10066410M12 x 1,5 cm; Klemmbereich 3 – 7 mm
LüsterklemmeAdels Kontakt125312Nennstrom 25 A; Nennspannung 500V
Schraube M4 x 50Bossard1579010M4 x 50 mm
Schraubenmutter M4Bossard1241478M4
Unterlegscheibe M4Bossard1887505M4
Schraube M3 x 25Bossard1211099M3 x 25
mm Schraubenmutter M3Bossard1241443M3
Unterlegscheibe M3Bossard1887483M3
Stützplatte -  - Isoliermaterial (Kunststoff oder anderes); 28 x 25 cm

Referenzen

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  1. Bain, R., et al. A summary catalogue of microbial drinking water tests for low and medium resource settings. International Journal of Environmental Research and Public Health. 9 (1609-1625), (2012).
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