Este artículo describe un método para la construcción de una incubadora adaptable, transportable y de bajo costo para la prueba microbiana del agua potable. Nuestro diseño se basa en materiales ampliamente disponibles y puede funcionar en una variedad de condiciones de campo, mientras que todavía ofrece las ventajas de modelos de laboratorio de mayor nivel.
Artículo de método
Construcción de una incubadora móvil de bajo costo para campo y laboratorio
En este artículo
Resumen
Resumen
Incubadoras son esenciales para una variedad de métodos microbianos basado en la cultura, como la filtración de membrana, seguido por el cultivo para evaluar la calidad del agua potable. Sin embargo, incubadoras disponibles comercialmente son a menudo costosos, difíciles de transportar, no flexible en términos de volumen, o mal adaptadas a las condiciones locales de campo donde el acceso a la electricidad es poco fiable. El propósito de este estudio fue desarrollar una incubadora adaptable, transportable y de bajo costo que puede construirse utilizando componentes fácilmente disponibles. Primero se desarrolló la electrónica base de la incubadora. Estos componentes entonces fueron probados en una variedad de condiciones de temperatura ambiente (3,5 ° C - 39 ° C) usando tres tipos de conchas de incubadora (caja de la espuma de poliestireno, caja del refrigerador de disco duro-a y caja de cartón cubierta con una manta de supervivencia). La base electrónica mostró rendimiento comparable a una incubadora de laboratorio estándar en términos del tiempo requerido para alcanzar la temperatura, estabilidad de la temperatura interior y dispersión espacial, consumo de energía y crecimiento microbiano. Las configuraciones de la incubadora también eran eficaces en temperaturas moderadas y bajas (entre 3.5 ° C y 27 ° C) y temperaturas altas (39 ° C) cuando la incubadora temperatura fue mayor. Este prototipo de incubadora es de bajo costo (< 300 USD) y adaptables a una variedad de materiales y volúmenes. Su estructura desmontable hace fácil de transportar. Puede ser utilizado en ambos laboratorios establecidos con energía de la rejilla o en la configuración del control remoto accionado por energía solar o una batería de coche. Es particularmente útil como una opción de equipo para laboratorios de campo en áreas con acceso limitado a recursos para el monitoreo de la calidad del agua.
Introducción
Métodos basados en la cultura para la detección de contaminantes microbianos son el estado del arte para el análisis de la calidad del agua en los industrializados y los países en desarrollo1,2. Microorganismos existen en muchos ambientes y requieren diversas condiciones de temperatura para un crecimiento óptimo. Por lo tanto, crear un ambiente de incubación temperatura estable es una condición previa para la detección confiable de contaminantes microbianos de interés en el agua potable. Según la Organización Mundial de la salud, Escherichia coli (e. coli) (o bien de coliformes termotolerantes (TTC)) son los más adecuados indicadores de contaminación fecal en agua potable3. Detección de estos organismos consiste en, por ejemplo, filtrado de muestra 100 mL de agua a través de una membrana seguida de incubación de la membrana en medios selectivos a 35-37 ° C (e. coli) o 44-45 ° C (TTC)3.
Aplicaciones en el campo de los métodos basados en la cultura se han vuelto cada vez más relevantes en los últimos años. Bajo el objetivo de desarrollo sostenible 6, 6.1 objetivo, los gobiernos se han comprometido a regularmente informe de calidad bacteriológica del agua potable en el nivel nacional4. Además de estos esfuerzos de vigilancia de salud pública, control operativo de la infraestructura de agua es regularmente llevado a cabo en el nivel local o regional5. Estas campañas monitoreo y vigilancia son a menudo en lugares remotos donde la infraestructura de laboratorio requerida es inadecuada o no disponible. 6 Asimismo, los métodos basados en la cultura son ampliamente utilizados en diagnóstico médico e investigación microbiológica donde clínicas locales e instituciones de investigación pueden ser recusadas por escasez de recursos y fuentes de alimentación inseguro7.
En los anteriores contextos, incubadoras convencionales son a menudo inadecuados o no disponible. Como alternativa, incubadoras de campo han sido desarrollados específicamente para su uso fuera del laboratorio, por ejemplo, el Aquatest proyecto8, Universidad de Bristol, Reino Unido; DelAgua9, Marlborough, Reino Unido; o Aquagenx10, Universidad de Carolina del norte, Estados Unidos. Sin embargo, estos dispositivos son relativamente pequeños en volumen, lo que limita el número de muestras que pueden procesarse simultáneamente. Incubadoras de campo en el mercado también no están diseñados para operar bajo muy bajo (< 20 ° C) o muy alta (> 40 ° C) condiciones de temperatura ambiente, dificultando su uso en entornos alpinos o desierto. Otros alternativas incluyen yogur-fabricación aparatos11, los cinturones corporales y cambio de fase incubadoras12. Sin embargo, estas incubadoras no convencionales pueden no fiable de la función o gravosos para operar11.
Hay así una necesidad de una incubadora que ofrece las ventajas de los modelos basados en el laboratorio (facilidad de uso, mayor volumen y precisión de la temperatura) sin dejar de ser adecuado para aplicaciones de campo (bajo costo, fácilmente transportado y mantenido, robustez a un gama de temperaturas ambiente, eficiencia energética y fuentes de alimentación resistente intermitente) (tabla 1). El propósito de este protocolo es detallar el proceso de fabricación de una incubadora de bajo coste diseñado para optimizar las ventajas de los modelos convencionales y en el campo usando el material disponible.
| Característica | En laboratorio | Campo | Optimizado |
| Diseño de uso fácil |  |  | |
| Gran capacidad | | | |
| A amplia gama de temperaturas ambiente | | | |
| Mantiene la temperatura constante | | | |
| Bajo costo | | | |
| Transportar fácilmente | | | |
| Eficiente de la energía | | | |
| Fuente de alimentación resistente a intermitente | | | |
Tabla 1: Características de incubadoras disponibles comercialmente (en laboratorio y de campo) y el enfoque optimizado.
El siguiente protocolo de Asamblea especifica los materiales necesarios y pasos para la construcción de la incubadora. Está estructurado en cuatro pasos: primero, el montaje de la unidad de calentamiento; segundo, montaje de la unidad de control; Tercera Asamblea de la base eléctrica de la incubadora; y cuarto, montaje de la incubadora. Este protocolo explica la construcción de la base electrónica de la incubadora, que permite trabajar con una variedad de conchas de la incubadora. Vea la Tabla de materiales para una lista completa de todos los componentes utilizados en el protocolo y sus características técnicas. El protocolo siguiente presenta un ejemplo funcional de la incubadora de campo, pero un uso flexible de los distintos componentes es posible siempre y cuando cumplan con los requisitos eléctricos. Usando diferentes componentes puede influir en las actuaciones de la incubadora. Se recomienda hacer la construcción y el cableado de los componentes eléctricos por una persona experta en el campo eléctrico.
Protocolo
1. unidad de calefacción
- Se reúnen los siguientes componentes (figura 1):
Soporte de la bandeja (280 x 250 mm) con agujeros de anclaje necesarios
Ventilador axial (60 x 60 x 25 mm); 2 x
Espaciador (longitud 20 mm, diámetro interno 4,25 mm (M4)); 4 x
Terminal del lustre con tres pernos
Tuerca del tornillo (M4); 4 x y (M3); 1 x
Arandela (M4); 8 x y (M3); 1 x
Tornillo (M4); 4 x y (M3); 1 x
Figura 1: Componentes individuales de la unidad de calentamiento. Soporte de la bandeja, ventiladores axiales, separadores, terminal del lustre, tornillo tuercas, arandelas y tornillos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Taladre los orificios necesarios (figura 2) en la placa de soporte para garantizar los ventiladores axiales así como de la terminal de lustre (figura 1).
Figura 2: diagrama esquemático de la placa de apoyo. Indicaciones para perforar los agujeros de anclaje en la placa de apoyo para fijar los ventiladores axiales así como el terminal de brillo. Distancias se dan en milímetros. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Los ventiladores axiales de ancla en el centro de la placa de soporte como se muestra en la figura 3 , con dos tornillos M4, tornillos tuercas y arandelas , , por ventilador. Utilice los espaciadores dejar una distancia entre los ventiladores y la placa del soporte (figura 3).
- Anclaje terminal lustre a la placa de soporte con tornillo, tuerca y arandela M3. Seguro los fans de cable. (Figura 3).
- Conecte los cables del ventilador con el terminal de brillo. Conecte los cables positivos de cada conjunto de ventilador y los cables negativos de cada ventilador junto (figura 3). El sensor de velocidad no es necesario.
Figura 3: ventiladores axiales fijos en la placa de apoyo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Nota: Los colores de cable mencionados corresponden a los utilizados en las figuras. Los colores de cable pueden cambiar dependiendo del material utilizado.
2. unidad de control (alimentación)
- Se reúnen los siguientes componentes:
Gabinete universal (aquí 200 x 120 x 60 mm, pero dimensiones dependerá del tamaño del convertidor DC/DC y el controlador de temperatura PID)
En/apagado-interruptor de
Voltaje 12V de salida del convertidor DC/DC, rango de voltaje de entrada 9 - 36V,
Controlador de temperatura PID, 12-35 V/DC tensión
Prensaestopas, M12 x 15 mm, fijación gama 2-7.5 m m (o según el cable utilizado)
Sensor de temperatura Pt100
Fuente de corriente alterna
Nota: La incubadora puede conectarse a la red eléctrica o a una batería. En el caso de la operación de la red, la fuente de alimentación de CA se requiere y si la unidad está conectada exclusivamente a red, el convertidor DC/DC no es obligatorio. En el caso de funcionamiento con batería, el convertidor DC/DC es muy recomendable, y un cable de dos hilos es necesario en lugar de la fuente de alimentación de CA. Este protocolo presenta la versión con el convertidor DC/DC y la fuente de alimentación de CA. Un esquema eléctrico de la base eléctrica de la incubadora es detallado en el material complementario (figura S1). - Las aberturas para el controlador de temperatura PID, on/off interruptor y cables dentro de la carcasa del molino con un taladro y una sierra caladora o una herramienta equivalente (figura 4).
Figura 4: diagrama esquemático de la caja universal. (a) las indicaciones para poner el controlador de temperatura 
, interruptor on/off 
y las glándulas de cable 
en el recinto universal; Distancias se dan en milímetros. (b) vista 3D del recinto universal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Conecte el convertidor DC/DC para el interruptor de encendido: Conecte el cable positivo del transformador de CA para el interruptor de encendido/apagado y el cable negativo del adaptador de CA a la "-Vin" del convertidor DC/DC (figura 5).
- Utilice un cable para conectar el interruptor de on/off+ Vin"del convertidor DC/DC (figura 5).
Figura 5: montaje unidad de control Gabinete universal con convertidor DC/DC conectado al controlador de temperatura PID e interruptor on/off . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Conecte los cables de la unidad de calentamiento en el controlador de temperatura PID de la siguiente manera (figura 6):
- Conectar el terminal "1" del controlador de temperatura PID para el cable de "DC –" de la calefacción conexión de la unidad y a la "-Vout" terminales del convertidor DC/DC.
- Conectar el "DC +" cable que vaya hasta la unidad de calefacción al terminal "4" del controlador de temperatura PID, así como para el terminal "2" del controlador de temperatura PID (ver punto 3.2).
- Conecte el terminal "2" del controlador de temperatura PID+ Vout"terminales del convertidor DC/DC.
- Conecte el terminal "5" del controlador de temperatura PID "comando" ir a la unidad de calentamiento. (ver punto 3.2).
- Conecte el sensor de temperatura en los terminales "10", "11" y "12".
Nota: El cable rojo del sensor de temperatura debe conectarse al terminal "11" del controlador de temperatura PID.
- El convertidor DC/DC con cinta de Velcro en la parte inferior de la caja de ancla y cerrar la caja universal.
Figura 6: Cable de conexión del convertidor DC/DC con controlador de temperatura PID. Convertidor DC/DC , controlador de temperatura PID , conexión a la incubadora (cable A) y conexión para sensor de temperatura (cable B). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Nota: Las funciones de los terminales de controlador de temperatura PID utilizados están dadas en la tabla 2.
| Controlador de temperatura PID terminal | Función |
| Terminal "1" | Entrada de alimentación + |
| Terminal "2" | Fuente de entrada- |
| Terminal "4" | Contacto común de salida de control |
| Terminal "5" | Control salida contacto normalmente abierto |
Tabla 2: Funciones correspondientes a los terminales de control de temperatura PID.
3. montaje de la base eléctrica de incubadora
- Se reúnen los siguientes componentes:
Unidad de calefacción de la sección 1
Unidad de control de la sección 2
Calefacción de Láminas autoadhesivas, 100 x 200 mm, V/20 de 12 W, 2 x - Conectar los cables de conexión de la unidad de control a la unidad de calefacción como sigue (figura 7):
- Conecte el cable de "DC -" de la unidad de control con un conductor de cada una de las hojas de la calefacción y el cable negativo de cada ventilador.
- Conecte el "DC +" de la unidad de control con el cable positivo de cada ventilador.
- Conecte el cable de "comando" de la unidad de control a los restantes conductores de las láminas de calefacción.
Figura 7: Cable de conexión de láminas de calefacción con controlador de temperatura PID. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Nota: La base eléctrica de incubadora de campo completado de la incubadora se muestra en la figura 8.
Figura 8: Base eléctrica de incubadora de campo completo. Unidad de calentamiento , unidad de control y sonda de temperatura . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
4. montaje de la incubadora
- Se reúnen los siguientes componentes:
Central eléctrica de incubadora
Cáscara de la incubadora (aquí un poliestireno caja de la espuma, pero puede ser cualquier tipo de caja hecho de material aislante)
Soporte estante (aquí un metal rack, pero puede ser otro material) - Junte los componentes de la incubadora como sigue (figura 9):
- Coloque la cáscara de la incubadora por su parte, para que la apertura de la incubadora (puerta) está situada en un lado.
- Coloque la placa de apoyo con la unidad de calentamiento en la parte inferior de la cáscara de la incubadora.
- Coloque la rejilla de apoyo sobre la unidad de calentamiento, dejando un espacio mínimo de 10 cm entre la unidad de calefacción y la parrilla.
- Coloque la sonda de temperatura en el soporte y fíjela en la incubadora.
- Perfore agujeros en la puerta de la incubadora para permitir la entrada de los cables (figura 9).
- Conectar la incubadora a la fuente de alimentación.
- Encienda la incubadora y ajuste los parámetros del controlador PID de temperatura (ver Tabla S1 en el material complementario para la configuración detallada).
Figura 9: incubadora de campo completa. Abierto (izquierda) y cerrado (derecha). Unidad de calentamiento , estante de la ayuda , sonda de temperatura , unidad de control 
, shell de incubadora 
y agujeros para los cables en la cáscara de la incubadora (área dentro de un círculo). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Nota: La cáscara de la incubadora puede ser una caja de cualquier tipo de material. Se recomienda utilizar un material aislante, y que la caja se cierra herméticamente para evitar la disipación del calor. La rejilla de apoyo debe contener orificios grandes para evitar la acumulación de calor en la parrilla, y el material puede ser metal u otro (plásticopor ejemplo ).
Resultados
La fiabilidad de una incubadora de campo robusto radica en su capacidad para alcanzar y mantener una temperatura de ajuste bajo varias condiciones. Para supervisar el rendimiento de las diferentes configuraciones de incubadora, se realizaron las siguientes mediciones: tiempo necesario para llegar a la temperatura, efecto de la apertura de la puerta durante un minuto, consumo de energía durante 24 horas de operación, estabilidad de la temperatura interna más 24 horas de operación y la observación del crecimiento de e. coli . La temperatura dentro de la incubadora se midió cada minuto con 4 dispositivos de registro de temperatura colocados en diferentes posiciones en la estructura (soporte rack, pared, tapa, dentro de una placa de crecimiento). La temperatura era considerada ser logrado cuando todas las mediciones fueron dentro de más o menos 2 ° C, que es el rango aceptable para la incubación de e. coli. 13
La base electrónica se probó con tres tipos de conchas, utilizando materiales que típicamente se encuentran en muchos países: una caja de espuma de poliestireno (78 litros), una nevera portátil plástico duro-a (30 litros) y una caja de cartón cubren con una manta de supervivencia (46 litros) ( Figura 10). Para cubrir un rango de condiciones ambientales que pueden ser experimentados en el campo, se analizaron estas configuraciones de incubadora en tres temperaturas: ambiente (aproximadamente 27 ° C), frío (aproximadamente 3,5 ° C 7,5 ° C) y caliente (alrededor de 39 ° C). Medidas de desempeño se probaron ajuste de la temperatura interna de 37 º C y 44,5 ° C.
El tiempo para alcanzar la temperatura de las incubadoras fue influenciado por la temperatura ambiente y el material de la cáscara de la incubadora. A una temperatura ambiente de alrededor de 27 ° C, las configuraciones de tres incubadoras alcanzaron las temperaturas sets (37 ° C y 44,5 ° C) en un tiempo similar (figura 11a y 12a) y comparable con el funcionamiento de una incubadora estándar (tabla 3). En ambientes fríos (3.5 ° C y 7,5 º C), las incubadoras con cáscaras gruesas, es decir, la espuma de poliestireno y una caja más fresca, alcanzaron las temperaturas sistema objetivo (37 ° C y 44,5 ° C) en un tiempo similar; cerca de cuatro veces más que bajo una temperatura ambiente de 27 ° C. Con su aislamiento inferior, la caja de cartón con manta de supervivencia nunca plenamente alcanzado las temperaturas del sistema bajo condiciones de temperatura ambiente frío (Figura 11b y 12b). En un ambiente cálido (39 ° C), la configuración de tres incubadora alcanzó la temperatura de 44,5 ° C en menos de 10 minutos (figura 12 c). Sin embargo, cuando la temperatura era de 37 ° C, es decir, inferior a la temperatura ambiente, ninguno de las incubadoras podría bajar la temperatura, lo que resulta en sobrecalentamiento para todos incubadora tres set ups (figura 11 c).
La temperatura y el tipo de shell incubadora influyeron el impacto de la apertura de la puerta de la incubadora durante un minuto. La pérdida de calor fue mayor en el ambiente frío, y el tiempo para recuperar la temperatura set interna era más largo, a excepción de la incubadora de la caja de cartón donde el conjunto de las temperaturas no fueron nunca alcanzado (figura 13b y 14b de la figura). En los ambientes más cálidos, la pérdida de calor era limitada y el conjunto de las temperaturas se recuperaron en menos de 10 minutos (figura 13ac y figura 14ac). En una temperatura de 39 ° C y temperatura de 37 ° C, abrir la puerta no causar ni reducir el sobrecalentamiento de las incubadoras (figura 13 c).
El consumo de energía aumentó con ambientes fríos y con un aumento en la temperatura. Mejor aislante conchas de incubadora (espuma de poliestireno y una caja más fresca) mostró un menor consumo de energía en comparación con la incubadora de la caja de cartón. En ambientes similares (temperatura ambiente de alrededor de 27 ° C), la energía de 0,22 a 0,52 kWh / 24h menos de tres incubadora configuraciones consumidos que las incubadoras estándar probados (cuadro 3).
Se mantuvo estable la temperatura en la incubadora más de 24 horas con todo tipo de conchas de la incubadora y la temperatura ambiente probado (figura 13 y figura 14). Se observaron pequeñas variaciones de la temperatura medida en comparación con la temperatura según la posición del dispositivo de registro de temperatura en la incubadora. Con la excepción de las pruebas con la temperatura (39 ° C) más caliente que la temperatura (37 ° C) (figura 13 c), las variaciones de temperatura fueron todos dentro del rango aceptable de 2 ° C para la incubación de la e. coli .
Todas las pruebas se realizaron en presencia de e. coli y materiales de medición de coliformes totales (filtro de membrana colocado en la placa de crecimiento). Repeticiones de una muestra se colocaron en cada instalación de incubadora y en una incubadora estándar para la comparación. En todas las configuraciones y condiciones, el crecimiento de e. coli y coliformes totales era acertado y comparable con el crecimiento observado en la incubadora estándar. Un resumen de las configuraciones de la incubadora y las condiciones de temperatura ambiente probadas con resultados se muestran en la tabla 3.
| Prueba 1: Tiempo a temperatura | Prueba 2: Puerta lateral un minuto | Prueba 3: Consumo de energía durante 24 horas | Prueba 4: Variación de la temperatura sobre período de 24 horas | Prueba 5: Crecimiento de e. coli observado | |||
| Temperatura ambiente | Temperatura de ajuste | (min) | Pérdida máxima de la temperatura (° C); tiempo para recuperar la temperatura (min) | (kWh/24 h) | Temperatura máxima absoluta (° C); temperatura mínima absoluta (° C) * | (Sí / No) | |
| Caja de espuma de poliestireno | 3.5 ° C | 37 ° C | 45 | 10 ° C; 17 min | 0,78 | 37; 35.5 | Sí |
| 7,5 ° C | 44,5 ° C | 74 | 16,5 ° C; 31 min | 0,89 | 44,5; 42.5 | ND† | |
| 27 ° C | 37 ° C | 12 | 2,5 ° C; 3 min | 0.28 | 37.5; 36.5 | Sí | |
| 44,5 ° C | 20 | 4,5 º C; 7 min | 0.43 | 44,5; 43.5 | ND† | ||
| 39 ° C | 37 ° C | 0 (sobrecalentamiento) | 2 ° C; 0 min (sobrecalentamiento) | 0.11 | 42.5; 42 | Sí | |
| 44,5 ° C | 7 | 3.5 ° C; 5 min | 0.17 | 45; 43.5 | ND† | ||
| Caja del refrigerador de disco duro-a | 3.5 ° C | 37 ° C | 54 | 8 ° C; 10 min | 0.86 | 37.5; 36 | Sí |
| 7,5 ° C | 44,5 ° C | 96 | 12 ° C; 30 min | 1.05 | 45; 43 | ND† | |
| 27 ° C | 37 ° C | 13 | 1,5 ° C; 0 min | 0.27 | 37.5; 36.5 | Sí | |
| 44,5 ° C | 25 | 2 ° C; 4 min | 0.50 | 45; 43.5 | ND† | ||
| 39 ° C | 37 ° C | 0 (sobrecalentamiento) | 1 ° C; 0 min (sobrecalentamiento) | 0.11 | 43; 42.5 | Sí | |
| 44,5 ° C | 9 | 4 ° C; 3 min | 0.19 | 45,5; 44.5 | ND† | ||
| Caja de cartón con manta de supervivencia | 3.5 ° C | 37 ° C | Nunca alcanzada (temperatura estable después de 109 min) | 6,5 º C; temperatura estable después de 30 min | 1.24 | 33.5; 30.5 | Sí |
| 7,5 ° C | 44,5 ° C | Nunca alcanzada (temperatura estable después de 120 min) | 8 ° C; temperatura estable después de 20 min. | 1.28 | 36.5; 32 | ND† | |
| 27 ° C | 37 ° C | 15 | 2,5 ° C; 6 min | 0.42 | 36.5; 35.5 | Sí | |
| 44,5 ° C | 24 | 3 ° C; 8 min | 0.70 | 44,5; 42.5 | ND† | ||
| 39 ° C | 37 ° C | 0 (sobrecalentamiento) | 1,5 ° C; 0 min (sobrecalentamiento) | 0.11 | 41.5; 40 | Sí | |
| 44,5 ° C | 9 | 2 ° C; 0 min | 0.20 | 45; 43.5 | ND† | ||
| Incubadora estándar | 27 ° C | 37 ° C | 18 | 1 ° C; 0 min (sobrecalentamiento) | 0,64 | 38.5; 36 | ND† |
| 44,5 ° C | 23 (sobrecalentamiento) | 2,5 ° C; 0 min | 0.95 | 47.5; 43.5 | ND† |
Tabla 3: Resumen de los resultados para las configuraciones de la incubadora y las condiciones de temperatura ambiente probado. * Prueba 4: Temperaturas máximas y mínimas absolutas registran durante los períodos estables, es decir, de 10 minutos después del final de un evento disruptivo (tiempo para alcanzar la temperatura programada, abriendo la puerta). † ND: No hay datos, no de prueba.
Figura 10: cáscaras de incubadora probados. Abierto (fila superior) y cerrado (fila inferior). Grueso (izquierda), de la caja de poliestireno expandido de 3.5 cm, dimensiones exteriores 39 x 56 x 36 cm; duro plástico refrigerador caja (media), espesor de 2,5 cm, dimensiones exteriores 32 x 41 x 47 cm; caja de cartón (derecha) cubierta con una manta de supervivencia estándar de 12 μm de espesor doblado dos veces, dimensiones exteriores 30 x 42 x 37 cm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 11: tiempo para alcanzar la temperatura (37 ° C) de la configuración de incubadora bajo condiciones de temperatura diferentes. Actuaciones de incubadoras con una cáscara hecha de una caja de espuma de poliestireno, una caja del refrigerador de disco duro-a y una caja de cartón cubren con una manta de supervivencia. Habitación temperatura ambiente (a), temperatura fría (b)y la temperatura caliente (c). Las temperaturas registradas en la rejilla de apoyo de las incubadoras. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 12: tiempo para alcanzar la temperatura programada (44,5 ° C) de preparaciones para incubadora bajo condiciones de temperatura diferentes. Actuaciones de incubadoras con una cáscara hecha de una caja de espuma de poliestireno, una caja del refrigerador de disco duro-a y una caja de cartón cubren con una manta de supervivencia. Habitación temperatura ambiente (a), temperatura fría (b)y la temperatura caliente (c). Las temperaturas registradas en la rejilla de apoyo de las incubadoras. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 13: las variaciones de temperatura durante el período de 24 horas y el efecto de apertura bajo condiciones de temperatura ambiente diferente de la puerta. Temperatura de 37 ° C. Actuaciones de incubadoras con una cáscara hecha de una caja de espuma de poliestireno, una caja del refrigerador de disco duro-a y una caja de cartón cubrieron con una manta de supervivencia. Habitación temperatura ambiente (a), temperatura fría (b)y la temperatura caliente (c). En círculo áreas muestran las variaciones de temperatura debido a la puerta durante un minuto. Las temperaturas registradas en la rejilla de apoyo de las incubadoras. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 14: variaciones de la temperatura sobre período de 24 horas y el efecto de apertura bajo condiciones de temperatura ambiente diferente de la puerta. Temperatura de 44,5 ° C. Actuaciones de incubadoras con una cáscara hecha de una caja de espuma de poliestireno, una caja del refrigerador de disco duro-a y una caja de cartón cubrieron con una manta de supervivencia. Habitación temperatura ambiente (a), temperatura fría (b)y la temperatura caliente (c). En círculo áreas muestran las variaciones de temperatura debido a la puerta durante un minuto. Las temperaturas registradas en la rejilla de apoyo de las incubadoras. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura S1: diagrama eléctrico de cableado de centrales eléctricas de incubadora. Alternativas para la operación de la red y funcionamiento con batería se indican. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Parámetro | Valor seleccionado | |||||
| 1 | Tipo de salida de control | Control Q1 / Q2 de la alarma | ||||
| 2 | Tipo de sensor conectado | Pt100 (-200 a 140 ° C) | ||||
| 3 | Seleccionable de consigna de límite inferior | 0 | ||||
| 4 | Seleccionable de consigna de límite superior | 50 | ||||
| 5 | Tipo de control | Calefacción | ||||
| 6 | Histéresis o banda muerta para el control de P.I.D desc. | 0 | ||||
| 7 | Ancho de banda proporcional del proceso expresado en unidades (° C si temperatura) | 1 | ||||
| 8 | Tiempo integral. Inercia del proceso expresado en segundos | 80.0 | ||||
| 9 | Tiempo derivativo para P.I.D. | 20.0 | ||||
| 10 | Tiempo de ciclo para la dosificación de tiempo salida | 10 | ||||
| 11 | Permitir/denegar modificación de punto de referencia valores por teclado frontal | Permite la modificación de los puntos de referencia | ||||
| 12 | Filtro de software. Número de lecturas para calcular la comparación valor PV-SPV | 10 | ||||
| 13 | Tipo de título | ° C | ||||
| 14 | Tipo de líquido refrigerante | Aire | ||||
Tabla S1: configuración del controlador de temperatura PID. Visualización de valores; otros parámetros no es necesarios para ejecutar la incubadora quedaron a valores por defecto.
Discusión
Bajo 6.1 de objetivo de desarrollo sostenible, la demanda para el muestreo de calidad de agua está aumentando, especialmente en áreas rurales remotas donde las prácticas de supervisión son menos establecido14. Una barrera importante a la aplicación de la prueba en estos ámbitos de la calidad de agua regular es escaso acceso a laboratorios capaces de soportar métodos microbianos6. Este trabajo presenta un método para una incubadora fiable, construido con materiales que son relativamente baratos y extensamente disponible. Los componentes eléctricos son relativamente fáciles de origen y montar, que requiere un limitado conocimientos. Por otra parte, el diseño de la cáscara de la incubadora es flexible y por lo tanto puede ser construido de materiales localmente disponibles. Esto es especialmente aconsejable para aquellos que viajan a lugares remotos, ya que no es necesario espacio para el equipaje para una cáscara pesada y voluminosa. Dependiendo de la shell utilizado, el volumen de la incubadora también es adaptable y puede ser tamaño para dar cabida a un tamaño de muestra específico. El montaje presentado puede ser utilizado en - y fuera de la red, que lo hace robusto para cortes de energía o la ausencia de suministro eléctrico confiable. Si bien se observaron ciertas limitaciones de diseño, este montaje para arriba generalmente demostró para ser eficaz en una variedad de condiciones de temperatura ambiente (3,5 ° C a 39 ° C).
Hay varios pasos en el protocolo que son críticos para lograr un diseño de la incubadora adecuado a las necesidades de uno. La primera es la selección de los componentes eléctricos de la incubadora. Componentes alternativos pueden ser elegidos basado en el precio o la disponibilidad local. Dependiendo del material seleccionado y sus características técnicas, la incubadora puede haber modificado actuaciones en comparación con los resultados presentados. Otro paso fundamental en el protocolo es la elección del material, que se debe hacer basado en el rango de temperaturas ambiente, fuente de alimentación local y disponibilidad de materiales. En temperatura ambiente baja (< 25 ° C), una cáscara fabricado de espuma de poliestireno o una caja del refrigerador de disco duro-a se recomienda alcanzar una temperatura de 37 ° C y 44,5 ° C. Basado en los datos experimentales presentados, estos set ups puede esperarse a llegar a la temperatura fijada en 45-96 minutos y consume 0.78 - 1.05 kWh / 24h en ambientes frios (3.5 a 7.5 ° C). La caja de cartón con manta de supervivencia no se recomienda para uso a temperaturas ambiente más bajas desde esto nunca alcanzó que una estable temperatura durante el período de observación experimental. A temperatura ambiente moderada (27 ° C) cualquiera de los tipos de shell prueba son aceptable, con similares a ligeramente mayor consumo observado para el conjunto de caja de cartón para arriba. En temperaturas más altas (39 ° C), los diseños de incubadora presentados aquí fueron propensos a sobrecalentamiento if a menos que la temperatura era aún mayor (es decir, 44,5 ° C). Por lo tanto, estas condiciones requieren un dispositivo de enfriamiento o utilizar en un espacio climatizado.
El costo de la construcción de la incubadora en presentado aquí fue alrededor de 300 USD cuando materiales provienen en Suiza. Sin embargo, estos costos pueden ser considerablemente menores en diferentes lugares, especialmente si gastos para los componentes electrónicos de envío se pueden reducir al mínimo. Modificación de los distintos componentes descritos en el protocolo puede reducir más lejos costes. El protocolo que presentamos se limita en que compara tres tipos de materiales de shell en dos temperaturas de sistema, así como verificación del crecimiento microbiano para e. coli sólo. La investigación futura deberá comprobar la adecuación de este diseño de la incubadora bajo una mayor gama de parámetros de temperatura y el uso de especies indicador microbiana adicional (p. ej., enterococos) y patógenos (p. ej., salmonella, Vibrio cholerae). Investigación futura debe centrarse también en el desarrollo eficaces de técnicas de enfriamiento dentro de la incubadora, lo que permitiría su uso en ambientes extremadamente calientes (> 40 ° C).
A nuestro conocimiento, no hay ninguna incubadora de campo conocido que ofrece una capacidad de volumen adaptable y es fácilmente desmontable, transportable y de bajo costo. Esta innovadora alternativa a incubadoras disponibles en el mercado satisface una necesidad de los gobiernos y las organizaciones con la calidad del agua y otros objetivos de pruebas basadas en la cultura donde hay pocas instalaciones de laboratorio. Cuando se combina con equipo de prueba de la calidad del agua simple, esta incubadora puede ayudar a los profesionales con capacidades limitadas para establecer laboratorios permanentes o de temporada a un costo razonable. Al aumentar el número de laboratorios en zonas remotas, intentos de vigilancia de calidad de agua regular o lograr el seguimiento puntual de las operaciones del sistema será cada vez más factibles.
Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
Esta investigación fue apoyada por la Agencia Suiza de cooperación para el desarrollo y el programa de alcance financiado por Reino Unido ayuda del Reino Unido Departamento para el desarrollo internacional (DFID) para el beneficio de los países en desarrollo (Aries código 201880). Las opiniones expresadas y la información contenida en él no son necesariamente las de o respaldado por estos organismos, que no pueden aceptar ninguna responsabilidad por dichos puntos de vista o información o para cualquier dependencia a ellos. Los autores también agradecen Arnt Diener para sus contribuciones a las primeras iteraciones del prototipo de incubadora de espuma de poliestireno.
Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Lámina calefactora | Thermo | 2115337 | Autoadhesiva 10x20 cm; Voltaje de funcionamiento 12V; Potencia 20W |
| Ventilador axial | Yen Sun Technology Corp. | FD126025MB | 6x6x2,5 cm; Voltaje de funcionamiento 12VDC; Potencia 1.44W; Consumo máx. de corriente 60mA |
| Controlador de temperatura PID | Wachendorff Automation GmbH & Co. KG | UR3274S | controlador PID 32x74 mm; Entrada universal para señales de proceso, termopares, Pt100; Voltaje de funcionamiento 24 VDC; Salidas (termostatos) Relé de 10 A, relé de 5 A, SSR, RS 485 |
| Sensor de temperatura Pt100 | Conrad | 198466 | Rango de temperatura -100 grados; C a 200 grados; C; Sensor Pt100, Tipo FS-400P |
| Caja universal | OKW Gehä uso Sistema | C2012201 | Dimensiones 200 x 120 x 60 mm |
| Convertidor CC/CC | Traco Power | TMDC 60-2412 | Tensión nominal 24 VDC; Voltaje de entrada 9-36 VDC; Voltaje de salida 12 VDC; Corriente de salida máx. 5 A; Potencia 60W |
| Adaptador de corriente alterna | Bicker Elektronik | BET-0612 | Voltaje de salida 12 VDC; Corriente de salida máx. 5 A; Voltaje de entrada 115-230 VAC |
| Espaciador | Schä fer Elektromechanik | 20/4 | Sin rosca; Tamaño de rosca M4; Poliestireno; Distancia 20 mm |
| Prensaestopas | WISKA | 10066410 | M12 x 1,5 cm; Rango de sujeción 3 – 7 mm |
| Terminal de brillo | Adels Contacto | 125312 | Corriente nominal 25 A; Voltaje nominal 500V |
| Tornillo M4 x 50 | Bossard | 1579010 | M4 x 50 mm |
| Tuerca de tornillo M4 | Bossard | 1241478 | M4 |
| Arandela M4 | Bossard | 1887505 | M4 |
| Tornillo M3 x 25 | Bossard | 1211099 | M3 x 25 mm |
| Tuerca de tornillo M3 | Bossard | 1241443 | M3 |
| Arandela M3 | Bossard | 1887483 | M3 |
| Placa | de soporte - | - | Material aislante (plástico u otro); 28 x 25 cm |
Referencias
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