Article de méthode

Construction d’un incubateur de Mobile Low-cost pour le terrain et de laboratoire

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DOI :

10.3791/58443

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19 mars 2019

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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

Dans cet article

Résumé

Cet article décrit une méthode pour construire un incubateur adaptable, peu coûteux et transportable pour analyse microbienne de l’eau potable. Notre conception est basée sur des matériaux largement disponibles et peut opérer dans un éventail de conditions sur le terrain, tout en offrant les avantages des modèles de haut de gamme en laboratoire.

Résumé

Pépinières d’entreprises sont essentielles pour une gamme de méthodes microbiennes basée sur la culture, comme la filtration sur membrane suivie de culture pour évaluer la qualité de l’eau potable. Cependant, incubateurs disponibles dans le commerce sont souvent coûteuses, difficiles à transporter, pas flexible en termes de volume, ou mal adaptée aux conditions du champ local où l’accès à l’électricité est peu fiable. Le but de cette étude était de développer un incubateur adaptable, peu coûteux et transportable qui peut être construits à l’aide de composants facilement disponibles. La base électronique de l’incubateur a été développée. Ces éléments ont ensuite été testées sous diverses conditions de température ambiante (3,5 ° C à 39 ° C) à l’aide de trois types de coquillages de l’incubateur (mousse de polystyrène boîte, dur refroidisseur et boîte en carton recouvert d’une couverture de survie). La base électronique ont montré des performances comparables à un incubateur de laboratoire standard en fonction du temps nécessaire pour atteindre la température programmée, stabilité de température à l’intérieur et dispersion spatiale, consommation d’énergie et la croissance microbienne. Le set-up incubateur était aussi efficaces au modéré qu’à basse température ambiante (entre 3,5 ° C et 27 ° C) et à haute température (39 ° C) lorsque la valeur de l’incubateur température était plus élevée. Ce prototype de l’incubateur est peu coûteuse (< 300 USD) et adaptable à une variété de matières et les volumes. Sa structure démontable le rend facile à transporter. Il peut être utilisé dans les deux laboratoires établis avec électricité ou réglage à distance alimenté par énergie solaire ou une batterie de voiture. Il est particulièrement utile en option matériel pour laboratoires de terrain dans les zones à accès limité aux ressources pour la surveillance de la qualité de l’eau.

Introduction

Méthodes axées sur la culture pour la détection des contaminants microbiens sont l’état-de-the-art pour analyse de qualité de l’eau dans les pays industrialisés et pays en développement1,2. Micro-organismes existent dans de nombreux environnements et exigent des conditions de température différentes pour une croissance optimale. Création d’un environnement stable à la température d’incubation est donc une condition préalable pour la détection fiable des contaminants microbiens préoccupants dans l’eau potable. Selon l’organisation mondiale de la santé, Escherichia coli (e. coli) (ou, subsidiairement, coliformes thermotolérants (TTC)) sont les plus appropriés indicateurs de contamination fécale dans l’eau potable,3. Détection de ces organismes consistant, par exemple, un échantillon de 100 mL à travers une membrane suivie d’incubation de la membrane sur des milieux sélectifs à 35-37 ° C (e. coli) ou 44-45 ° C (TTC)3de filtrage.

Applications sur le terrain des méthodes axées sur la culture sont devenus plus en plus pertinentes dans ces dernières années. Au titre de l’objectif 6 du développement durable, objectif 6.1, gouvernements se sont engagés à régulièrement rapport qualité bactériologique de l’eau potable au niveau national4. En plus de ces efforts de surveillance de la santé publique, surveillance opérationnelle des infrastructures hydrauliques est régulièrement entrepris au niveau local ou régional5. Ces campagnes suivis et surveillance sont souvent dans des endroits éloignés où les infrastructures de laboratoire requis sont insuffisantes ou non disponible. 6 de la même façon, méthodes axées sur la culture sont largement utilisés dans le diagnostic médical et de la recherche microbiologique où les cliniques locales et des établissements de recherche peuvent être contestées par les ressources limitées et insécurité alimentations7.

Dans les contextes ci-dessus, incubateurs conventionnels sont souvent inadéquates ou indisponible. Comme alternative, les incubateurs de terrain ont été spécifiquement développés pour une utilisation en dehors du laboratoire, par exemple, l’Aquatest projet8, Université de Bristol, Royaume-Uni ; DelAgua9, Marlborough, Royaume-Uni ; ou Aquagenx10, University of North Carolina, États-Unis d’Amérique. Toutefois, ces appareils sont relativement faibles en volume, ce qui limite le nombre d’échantillons qui peuvent être traitées simultanément. Incubateurs de terrain sur le marché ne sont également pas conçus pour fonctionner sous très faible (< 20 ° C) ou très élevée des conditions de température ambiante (> 40 ° C), rendant leur utilisation dans le désert ou les environnements alpins difficile. Autres solutions alternatives incluent yaourt fabrication appareils11, ceintures et changement de phase incubateurs12. Toutefois, ces incubateurs non conventionnelles peuvent fonctionner pas et lourde pour l’exploitation de11.

Il y a donc un besoin pour un incubateur qui offre les avantages des modèles en laboratoire (facilité d’utilisation, grand volume et précision de la température) tout en restant adapté aux applications de terrain (peu coûteux, facilement transportée et entretenu, robustesse à un plage de températures ambiantes, économe en énergie et résistant aux intermittents alimentations) (tableau 1). Le but du présent protocole est de détailler le processus de fabrication d’un incubateur de faible coût conçu pour optimiser les avantages des modèles classiques et sur le terrain à l’aide de matériel largement disponible.

CaractéristiqueEn laboratoireDomaineOptimisé
Conception conviviale de l’utilisateurfigure-introduction-1figure-introduction-2figure-introduction-3
Grande capacitéfigure-introduction-4figure-introduction-5figure-introduction-6
Robuste à large plage de températures ambiantesfigure-introduction-7figure-introduction-8figure-introduction-9
Maintient une température constantefigure-introduction-10figure-introduction-11figure-introduction-12
Petit prixfigure-introduction-13figure-introduction-14figure-introduction-15
Facilement transportablefigure-introduction-16figure-introduction-17figure-introduction-18
Économe en énergiefigure-introduction-19figure-introduction-20figure-introduction-21
Résilient à alimentation intermittentefigure-introduction-22figure-introduction-23figure-introduction-24

Tableau 1 : Caractéristiques des incubateurs disponibles dans le commerce (en laboratoire et sur le terrain) et l’approche optimisée.

Le protocole de l’Assemblée suivant spécifie le matériel requis et les étapes pour la création de l’incubateur. Il est structuré en quatre étapes : tout d’abord, l’Assemblée de l’appareil ; deuxième, montage de l’appareil de contrôle ; troisième, Assemblée du noyau électrique incubateur ; et quatrième, Assemblée de l’incubateur. Ce protocole explique la construction de faisceau électronique de l’incubateur, qui peut fonctionner avec une variété de coquillages de l’incubateur. Voir la Table des matières pour une liste complète de tous les composants utilisés dans le protocole et leurs spécifications techniques. Le protocole ci-dessous présente un exemple fonctionnel de l’incubateur de champ, mais souple sur l’utilisation des différents composants est possible tant qu’ils remplissent les exigences électriques. À l’aide de différents composants susceptibles d’influencer les performances de l’incubateur. Il est conseillé que la construction et le câblage de composants électriques se fait par une personne du métier dans le domaine de l’électricité.

Protocole

1. unité de chauffage

  1. Rassembler les éléments suivants (Figure 1) :
    figure-protocol-1Support de plaque (280 x 250 mm) avec des trous d’ancrage nécessaire
    figure-protocol-2Ventilateur axial (60 x 60 x 25 mm) ; x 2
    figure-protocol-3Entretoise (longueur 20 mm, diamètre intérieur 4,25 mm (M4)) ; 4 x
    figure-protocol-4Terminal de lustre à trois broches
    figure-protocol-5Écrou de vis (M4) ; 4 x (M3) ; 1 x
    figure-protocol-6Rondelle (M4) ; 8 x (M3) ; 1 x
    figure-protocol-7Vis (M4) ; 4 x (M3) ; 1 x

figure-protocol-8
Figure 1 : Différents composants de l’appareil.  figure-protocol-9 Support de plaque, figure-protocol-10 ventilateurs axiaux, figure-protocol-11 entretoises, figure-protocol-12 terminal de lustre, figure-protocol-13 vis écrous, figure-protocol-14 rondelles et figure-protocol-15 vis. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. Percer les trous nécessaires (Figure 2) dans la plaque de soutien figure-protocol-16 pour garantir les ventilateurs axiaux figure-protocol-17 ainsi que le terminal de lustre figure-protocol-18 (Figure 1).

figure-protocol-19
Figure 2 : schéma de principe de la plaque d’appui. Indications pour percer les trous d’ancrage dans la plaque de support pour fixer les ventilateurs axiaux ainsi que le terminal de lustre. Distances sont données en millimètres. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. Les ventilateurs axiaux d’ancrage figure-protocol-20 dans le centre de la plaque d’appui figure-protocol-21 tel qu’illustré à la Figure 3 avec deux vis M4, écrous et rondelles figure-protocol-22 , figure-protocol-23 , figure-protocol-24 par ventilateur. Utilisez les entretoises figure-protocol-25 de laisser une distance entre les fans et la plaque d’appui (Figure 3).
  2. Ancrer le terminal lustre figure-protocol-26 à la plaque d’appui figure-protocol-27 à l’aide de la vis M3, vissez l’écrou et la rondelle. Fixez les fans de câble. (Figure 3).
  3. Connectez les câbles du ventilateur avec le terminal de lustre. Connectez les câbles positifs de chaque ensemble de ventilateur et les câbles négatifs de chaque ensemble de ventilateur (Figure 3). Le capteur de vitesse n’est pas nécessaire.

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Figure 3 : ventilateurs axiaux fixés sur la plaque d’appui. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

NOTE : Les couleurs des câbles mentionnés correspondent à ceux utilisés dans les figures. Les couleurs des câbles peuvent changer selon le matériel utilisé.

2. unité de contrôle (alimentation)

  1. Rassembler les éléments suivants :
    figure-protocol-29Boîtier universel (ici 200 x 120 x 60 mm, mais dimensions dépendra de la taille du convertisseur DC/DC et le régulateur de température PID)
    figure-protocol-30Interrupteur marche/arrêt
    figure-protocol-31Convertisseur DC/DC, tension d’entrée de gamme 9 - 36V, tension 12V de sortie
    figure-protocol-32Contrôleur de température PID, 12-35 VDC tension de service
    figure-protocol-33Presse-étoupe, M12 x 15 mm, serrage compris entre 2 à 7,5 mm (ou fonction du câble utilisé)
    figure-protocol-34Capteur de température Pt100
    figure-protocol-35Alimentation en courant
    Remarque : L’incubateur peut être connecté à l’alimentation ou à une batterie. Dans le cas de l’exploitation du réseau, l’alimentation en courant est nécessaire et si l’appareil est exclusivement branché sur secteur, le convertisseur DC/DC n’est pas obligatoire. Dans le cas de fonctionnement sur batterie, le convertisseur DC/DC est fortement recommandé, et un câble bifilaire est nécessaire au lieu de l’alimentation en courant. Ce protocole présente la version avec le convertisseur DC/DC et de l’alimentation en courant. Un schéma électrique de la centrale électrique incubateur est détaillé dans les documents supplémentaires (Figure S1).
  2. Moudre les ouvertures pour le contrôleur de température PID, on/off interrupteur et presse-étoupes à l’intérieur de l’enceinte avec une perceuse et scie sauteuse ou un outil équivalent (Figure 4).

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Figure 4 : schéma de principe de l’enceinte universelle. (a) Indications de placer le régulateur de température figure-protocol-37 , interrupteur marche/arrêt figure-protocol-38 et les presse-étoupes figure-protocol-39 dans le boîtier universel ; distances sont données en millimètres. (b) vue 3D de l’enceinte universelle. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. Connectez le convertisseur DC/DC à l’interrupteur marche/arrêt : Branchez le câble positif de l’adaptateur secteur sur l’interrupteur marche/arrêt et le câble négatif de l’adaptateur secteur à la «-Vin"du convertisseur DC/DC (Figure 5).
  2. Utilisez un câble pour connecter le commutateur marche/arrêt sur le «+ Vin» du convertisseur DC/DC (Figure 5).

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Figure 5 : monté unité de contrôle Boîtier universel figure-protocol-41 avec convertisseur DC/DC figure-protocol-42 connecté au contrôleur de température PID figure-protocol-43 et interrupteur marche/arrêt figure-protocol-44 . S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. Branchez les câbles de l’appareil de chauffage pour le contrôleur de température PID comme suit (Figure 6) :
    1. Connecter la borne « 1 » du contrôleur de température PID au fil «DC –» par chauffage connexion unité et à la "-Vout" terminal du convertisseur DC/DC.
    2. Connecter le «DC +"fil va à l’appareil de chauffage à la borne « 4 » du contrôleur de température PID ainsi quant à la borne « 2 » du contrôleur de température PID (voir point 3.2).
    3. Raccordez la borne « 2 » du contrôleur de température PID pour le «+ Vout» terminal du convertisseur DC/DC.
    4. Connecter la borne « 5 » du contrôleur de température PID au fil de «commande» aller à l’élément chauffant. (voir point 3.2).
    5. Raccorder le capteur de température aux bornes « 10 », « 11 » et « 12 ».
      Remarque : Le fil rouge de la sonde de température doit être connecté au terminal « 11 » du contrôleur de température PID.
  2. Le convertisseur DC/DC avec bande Velcro au bas de l’enceinte de l’ancre et fermer le boîtier universel.

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Figure 6 : câble de raccordement du convertisseur DC/DC, avec régulateur de température PID. Convertisseur DC/DC figure-protocol-46 , contrôleur de température PID figure-protocol-47 , connexion à l’incubateur (câble A) et de connexion pour sonde de température (câble B). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Remarque : Les fonctions des bornes de contrôleur de température PID utilisés sont données dans le tableau 2.

Contrôleur de température PID terminalFonction
Borne « 1 »Tension d’alimentation entrée +
Borne « 2 »Approvisionnement d’alimentation-
Terminal « 4 »Contact commun de sortie de contrôle
Terminal « 5 »Contact normalement ouvert de sortie de contrôle

Tableau 2 : Fonctions correspondant à des bornes de contrôleur de température PID.

3. assemblage du noyau électrique incubateur

  1. Rassembler les éléments suivants :
    Unité de chauffage de section 1
    Unité de commande de l’article 2
    figure-protocol-48Chauffage des feuilles, autocollants, 100 x 200 mm, 12 V/20 W, 2 x
  2. Relier les câbles de raccordement de l’appareil de commande à l’unité de chauffage comme suit (Figure 7) :
    1. Connectez le fil «DC -» de l’unité de contrôle avec un conducteur de chacun des foils chauffage et le fil négatif de chaque ventilateur.
    2. Connectez le fil «DC +» provenant de l’unité de contrôle avec le câble positif de chaque ventilateur.
    3. Connecter le fil de «commande» de l’unité de commande pour les deux autres conducteurs des foils chauffage.

figure-protocol-49
Figure 7 : Un câble de chauffage des feuilles figure-protocol-50 avec le contrôleur de température PID. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Remarque : Le noyau électrique incubateur de champ rempli de l’incubateur est illustré Figure 8.

figure-protocol-51
Figure 8 : Centrale électrique de remplir la zone incubateur. Unité de chauffage figure-protocol-52 , unité de commande figure-protocol-53 et sonde de température figure-protocol-54 . S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

4. montage de l’incubateur

  1. Rassembler les éléments suivants :
    Centrale électrique incubateur
    Coquille de l’incubateur (ici un polystyrène mousse boîte, mais peut être n’importe quel type de boîte est faite de matériau isolant)
    Support de grille (ici un métal rack, mais peut être un autre matériau)
  2. Assemblez les composants incubateur comme suit (Figure 9) :
    1. Placez la coquille de l’incubateur sur le côté, afin que l’ouverture de l’incubateur (porte) se trouve sur un côté.
    2. Placer la plaque de soutien avec l’élément chauffant en bas de la coque de l’incubateur.
    3. Placez la grille de prise en charge sur le dessus de l’appareil, laissant un espace d’au moins 10 cm entre l’appareil et le support rack.
    4. Placer la sonde de température sur la grille de support et le fixer dans l’incubateur.
  3. Percer des trous dans la porte de l’incubateur pour permettre l’entrée des câbles (Figure 9).
  4. Connectez l’incubateur à la source d’alimentation.
  5. L’incubateur et régler les paramètres du contrôleur de température PID (voir Tableau S1 dans les documents supplémentaires pour des réglages détaillés).

figure-protocol-55
Figure 9 : incubateur complet champ. Ouvert (à gauche) et fermé (à droite). Unité de chauffage figure-protocol-56 , support rack figure-protocol-57 , sonde de température figure-protocol-58 , unité de commande figure-protocol-59 , coquille incubateur figure-protocol-60 et les trous pour les câbles dans la coquille de l’incubateur (zone encerclée). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Remarque : La coquille de l’incubateur peut être une boîte de n’importe quel type de matériel. Il est recommandé d’utiliser un matériau isolant, et que la boîte se ferme hermétiquement pour éviter la dissipation de la chaleur. La grille de soutien devrait contenir des gros trous pour éviter l’accumulation de chaleur dans le panier, et le matériel peut être en métal ou autre (plastiquepar exemple ).

Résultats

La fiabilité d’un incubateur de champ robuste réside dans sa capacité d’atteindre et de maintenir une température définie dans diverses conditions. Pour surveiller les performances des divers montages incubateur, les mesures suivantes ont été prises : temps nécessaire pour atteindre la température programmée, l’effet de l’ouverture de la porte pendant une minute, la consommation d’énergie plus de 24 heures de fonctionnement, stabilité de la température intérieure plus 24 heures d’ouverture et observation de la croissance d’e. coli . La température à l’intérieur de l’incubateur a été mesurée à chaque minute avec 4 appareils de diagraphies de température placés dans des positions différentes dans la structure (support accrochable, mur, dessus, à l’intérieur d’un cartilage de conjugaison). La consigne était censée être atteint lorsque toutes les mesures ont été plus ou moins 2 ° C, qui est la plage acceptable pour l’incubation des e. coli. 13

La base électronique a été testée avec trois types d’obus, en utilisant des matériaux qui se trouvent généralement dans de nombreux pays : une boîte de mousse de polystyrène (78 litres), une boîte de refroidisseur en plastique dure (30 litres) et une boîte en carton recouvert d’une couverture de survie (46 litres) ( Figure 10). Pour couvrir un éventail de conditions ambiantes qui peut être vécue sur le terrain, ces montages incubateur ont été testés à trois températures ambiantes : ambiante (environ 27 ° C), à froid (environ 3,5 ° C et 7,5 ° C) et chaud (environ 39 ° C). Mesures du rendement ont été testés, réglage de la température interne à 37 ° C et 44,5 ° C.

Le temps d’atteindre la température programmée dans les incubateurs fut influencé par la température ambiante et le matériau de la coque de l’incubateur. À une température ambiante d’environ 27 ° C, le set-up trois incubateurs atteint la température réglée (37 ° C et 44,5 ° C) à une époque similaire (Figure 11 a et Figure 12 a) et comparables avec les performances d’un incubateur standard (tableau 3). Dans des environnements froids (3,5 ° C et 7,5 ° C), les incubateurs avec coquilles plus épaisses, c'est-à-dire, le polystyrène expansé et boîte de refroidisseur, a atteint la température réglée de cible (37 ° C et 44,5 ° C) en un temps similaire ; environ quatre fois plus longtemps que sous une température de 27 ° C. Avec son isolation inférieure, la boîte en carton avec couverture de survie jamais atteint les températures réglées dans des conditions de température ambiante froide (figures 11 b et 12 b). Dans un environnement chaud (39 ° C), le set-up trois incubateur a atteint la température de la cible de 44,5 ° C en moins de 10 minutes (Figure 12C). Toutefois, lorsque la température est de 37 ° C, c'est-à-dire, inférieure à la température ambiante, aucun des incubateurs pouvait abaisser la température, ce qui entraîne une surchauffe pour tous trois incubateur mis ups (Figure 11c).

La température ambiante et le type de shell incubateur influencé l’impact de l’ouverture de la porte de l’étuve pendant une minute. La perte de chaleur est plue dans l’environnement froid, et le temps de récupérer les températures intérieures est plus long, à l’exception de l’incubateur de boîte en carton où l’ensemble des températures n’ont jamais étés atteint (Figure 13 b et Figure 14 b). Dans les environnements les plus chaudes, la perte de chaleur a été limitée et l’ensemble des températures ont été récupérés en moins de 10 minutes (Figure 13 ac et Figure 14 ac). À une température de 39 ° C et température de 37 ° C, ouverture de la porte n’a pas provoquer ni réduire la surchauffe des incubateurs (Figure 13C).

La consommation d’énergie a augmenté avec des environnements froids et une augmentation de la température de consigne. Meilleure isolation coquilles incubateur (polystyrène expansé et boîte de refroidisseur) a montré une consommation d’énergie réduite par rapport à l’incubateur de boîte en carton. Dans des environnements similaires (température ambiante d’environ 27 ° C), l’énergie de 0,22 à 0,52 kWh/24h moins trois incubateur montages consommés que les incubateurs standards mis à l’essai (tableau 3).

La température dans l’incubateur est resté stable plus de 24 heures avec tous les types de coquilles d’incubateur et testé la température ambiante (Figure 13 et Figure 14). Légères variations de la température mesurée par rapport à la température de consigne ont été observées selon la position de l’appareil d’enregistrement de température dans l’incubateur. À l’exception des essais avec la température (39 ° C) plus chaude que la température de consigne (37 ° C) (Figure 13C), les variations de température étaient tous dans la plage acceptable de 2 ° C pour l’incubation d’e. coli .

Tous les tests ont été effectués en présence d’e. coli et de matériels de mesure totale de coliformes (membrane filtrante placée sur la plaque de croissance). Réplique d’un échantillon ont été placés dans chaque set-up de l’incubateur et dans un incubateur standard pour la comparaison. Dans toutes les configurations et conditions, la croissance des e. coli et coliformes totaux a été réussie et comparable à la croissance observée dans l’incubateur standard. Les configurations de l’incubateur et les conditions de température ambiante soldées par des résultats sont récapitulées dans le tableau 3.

Test 1 :
Temps pour régler la température		Essai 2 :
Porte latérale ouvrant une minute		Test 3 :
Consommation d’énergie pendant la période de 24 heures		Test 4 :
Variation de température au cours de la période de 24 heures		Test 5 :
Croissance d’Escherichia coli observée
Température ambianteTempérature de consigne(min)Perte maximale de la température (° C) ; temps pour récupérer la température de consigne (min)(kWh/24h)Température maximale absolue (° C) ; température minimale absolue (° C) *(Oui / non)
Boîte de mousse de polystyrène3,5 ° C37 ° C4510 ° C ; 17 min0,7837 ; 35,5Oui
7,5 ° C44,5 ° C7416,5 ° C ; 31 min0,8944,5 ; 42,5ND†
27 ° C37 ° C122.5 ° C ; 3 min0,2837,5 ; 36,5Oui
44,5 ° C204,5 ° C ; 7 min0,4344,5 ; 43,5ND†
39 ° C37 ° C0 (surchauffe)2 ° C ; 0 min (surchauffe)0,1142,5 ; 42Oui
44,5 ° C73,5 ° C ; 5 min0,1745 ; 43,5ND†
Boîte de refroidisseur de dur3,5 ° C37 ° C548 ° C ; 10 min0,8637,5 ; 36Oui
7,5 ° C44,5 ° C9612 ° C ; 30 min1.0545 ; 43ND†
27 ° C37 ° C131,5 ° C ; 0 min0,2737,5 ; 36,5Oui
44,5 ° C252 ° C ; 4 min0,5045 ; 43,5ND†
39 ° C37 ° C0 (surchauffe)1 ° C ; 0 min (surchauffe)0,1143 ; 42,5Oui
44,5 ° C94 ° C ; 3 min0,1945,5 ; 44,5ND†
Boîte en carton avec couverture de survie3,5 ° C37 ° CN’a jamais atteint (température stable après 109 min)6,5 ° C ; température stable après 30 min1.2433,5 ; 30,5Oui
7,5 ° C44,5 ° CN’a jamais atteint (température stable après 120 min)8 ° C ; température stable après 20 min1.2836,5 ; 32ND†
27 ° C37 ° C152.5 ° C ; 6 min0,4236,5 ; 35,5Oui
44,5 ° C243 ° C ; 8 min0,7044,5 ; 42,5ND†
39 ° C37 ° C0 (surchauffe)1,5 ° C ; 0 min (surchauffe)0,1141,5 ; 40Oui
44,5 ° C92 ° C ; 0 min0.2045 ; 43,5ND†
Incubateur standard27 ° C37 ° C181 ° C ; 0 min (surchauffe)0,6438,5 ; 36ND†
44,5 ° C23 (surchauffe)2.5 ° C ; 0 min0,9547,5 ; 43,5ND†

Tableau 3 : résumé des résultats pour les configurations de l’incubateur et les conditions de température ambiante testé. * Essai 4 : Les températures maximales et minimales absolues enregistrement au cours des périodes stables, c'est-à-dire de 10 minutes après la fin d’un événement perturbateur (temps pour atteindre la température programmée, ouvrant la porte). † ND : Aucune donnée, ne pas de tests.

figure-results-1
Figure 10 : coquilles d’incubateur testés. Ouvert (ligne supérieure) et fermé (rangée du bas). Mousse de polystyrène boîte (à gauche), épaisseur de 3,5 cm, dimensions extérieures 39 x 56 x 36 cm ; dur en plastique refroidisseur boîte (celle du milieu), épaisseur de 2,5 cm, dimensions extérieures 32 x 41 x 47 cm ; boîte en carton (à droite) recouvert d’une couverture de survie standard d’une épaisseur de 12 µm plié deux fois, les dimensions extérieures 30 x 42 x 37 cm. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

figure-results-2
Figure 11 : temps nécessaire pour atteindre la température programmée (37 ° C) de l’installations d’incubateur dans des conditions de température ambiante différente. Performances des incubateurs d’entreprises avec une coque en une boîte de mousse de polystyrène, une boîte de refroidisseur de dure et une boîte en carton recouvert d’une couverture de survie. À la salle la température ambiante (a), (b)de la basse température ambiante et température ambiante chaude (c). Les températures enregistrées sur le support de prise en charge des incubateurs. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

figure-results-3
Figure 12 : temps nécessaire pour atteindre la température programmée (44,5 ° C) des configurations incubateur dans des conditions de température ambiante différente. Performances des incubateurs d’entreprises avec une coque en une boîte de mousse de polystyrène, une boîte de refroidisseur de dure et une boîte en carton recouvert d’une couverture de survie. À la salle la température ambiante (a), (b)de la basse température ambiante et température ambiante chaude (c). Les températures enregistrées sur le support de prise en charge des incubateurs.  S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

figure-results-4
Figure 13 : variations de température au cours de la période de 24 heures et l’effet de porte dans des conditions de température ambiante différente. Régler la température de 37 ° C. Performances des incubateurs d’entreprises avec une coque en une boîte de mousse de polystyrène, une boîte de refroidisseur de dure et une boîte en carton recouvert d’une couverture de survie. À la salle la température ambiante (a), (b)de la basse température ambiante et température ambiante chaude (c). Cerclé de domaines montrent les variations de température en raison de la porte ouverte pendant une minute. Les températures enregistrées sur le support de prise en charge des incubateurs. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

figure-results-5
Figure 14 : variations de température au cours de la période de 24 heures et l’effet de porte dans des conditions de température ambiante différente. Régler la température de 44,5 ° C. Performances des incubateurs d’entreprises avec une coque en une boîte de mousse de polystyrène, une boîte de refroidisseur de dure et une boîte en carton recouvert d’une couverture de survie. À la salle la température ambiante (a), (b)de la basse température ambiante et température ambiante chaude (c). Cerclé de domaines montrent les variations de température en raison de la porte ouverte pendant une minute. Les températures enregistrées sur le support de prise en charge des incubateurs. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

figure-results-6
Figure S1 : schéma électrique de câblage électrique de base incubateur. Des solutions de rechange pour fonctionnement sur secteur et piles sont indiquées. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

ParamètreValeur sélectionnée
1Type de sortie de contrôleContrôler la Q1 / Q2 de l’alarme
2Type de capteur raccordéPt100 (-200 à 140 ° C)
3Limite inférieure sélectionnable pour la valeur de consigne0
4Limite supérieure sélectionnable pour la valeur de consigne50
5Type de contrôleChauffage
6ON/OFF hystérésis ou zone morte pour le contrôle de la NRP0
7Largeur de bande proportionnelle du processus exprimé en unités (° C si la température)1
8Temps d’intégration. Inertie du processus exprimé en secondes80,0
9Temps de dérivation pour NRP20,0
10Temps de cycle pour la sortie de dosage-temps10
11Autoriser/refuser la modification des valeurs de consigne par clavier frontalePermettre la modification de tous les points de consigne
12Filtre de logiciel. Nombre de lectures pour calculer la comparaison valeur PV-SPV10
13Type de diplôme° C
14Type de liquide de refroidissementAir

Tableau S1 : réglages de contrôleur de température PID. Affichage des valeurs de consigne ; autres paramètres non nécessaires à l’exécution de l’incubateur ont été laissés aux valeurs par défaut.

Discussion

Sous développement durable objectif 6.1 la demande pour l’échantillonnage de qualité de l’eau augmente, en particulier dans les zones rurales reculées, où les pratiques de contrôle sont moins établies14. Un obstacle majeur à la mise en œuvre de la qualité de l’eau ordinaire stable dans ces milieux est un accès insuffisant aux laboratoires capables de supporter des méthodes microbienne6. Cet article présente une méthode pour un incubateur fiable construit à partir de matériaux qui sont relativement bon marché et largement disponible. Les composants électriques sont relativement faciles à la source et à assembler, exigeant seulement limité de compétences. En outre, la conception de coquille incubateur est flexible et peut donc être construite à partir des matériaux disponibles localement. C’est particulièrement souhaitable pour ceux qui voyagent à des endroits éloignés, car l’espace pour les bagages n’est pas nécessaire pour un obus lourd et encombrant. Selon le shell utilisé, le volume de l’incubateur est aussi adaptable et peut être dimensionné pour accueillir un échantillon spécifique. Le montage présenté peut être utilisé sur - et hors-réseau, ce qui le rend robuste aux coupures d’électricité ou l’absence d’alimentation électrique fiable. Certaines limitations de conception ont été observés, ce set-up up généralement se sont révélés efficaces dans un éventail de conditions de température ambiante (3,5 ° C à 39 ° C).

Il y a plusieurs étapes dans le protocole qui sont essentielles pour parvenir à une conception de l’incubateur adaptée à ses propres besoins. La première est la sélection des composants électriques de l’incubateur. Autres composants peuvent être choisis basé sur le prix ou la disponibilité locale. Selon le matériau choisi et leurs spécifications techniques, l’incubateur a pu modifier les performances par rapport aux résultats présentés. Une autre étape critique dans le protocole est le choix du matériau, qui devrait être fait selon la plage attendue des températures ambiantes, alimentation locale et la disponibilité de matériaux. Aux basses températures ambiantes (< 25 ° C), une coque construite en mousse de polystyrène ou une boîte de refroidisseur dure est recommandée pour atteindre une température de 37 ° C à 44,5 ° C. D’après les données expérimentales présentées, règlent ups peuvent s’attendre à atteindre la température programmée en 45-96 minutes et consommer 0,78 - 1.05 kWh/24h dans des environnements froids (3,5 à 7,5 ° C). La boîte en carton avec couverture de survie n’est pas recommandée pour une utilisation à des températures ambiantes basses puisque cela mis en place jamais atteint qu'une écurie régler la température au cours de la période d’observation expérimentale. À température ambiante modérée (27 ° C), tous les types de coquille testés sont acceptables, avec semblable à un peu plus grande consommation d’énergie observée pour le coffret en carton vers le haut. À température ambiante plus élevée (39 ° C), les conceptions de l’incubateur présentées ici ont été sujettes à la surchauffe fi à moins que la température était encore plus élevé (c.-à-d. 44,5 ° C). Par conséquent, ces conditions seraient exigent un dispositif de refroidissement ou utiliser dans un espace climatisé.

Le coût de la construction de l’incubateur présentée ici était d’environ 300 USD lorsque les matériaux ont été approvisionnés en Suisse. Toutefois, ces coûts peuvent être beaucoup plus faibles dans des lieux différents, surtout si pour les composants électroniques de base, les frais d’expédition peut être réduite au minimum. Modification des différentes composantes décrites dans le protocole peut réduire davantage les coûts. Le protocole présenté ici est limité, puisqu’il compare seulement trois types de matériaux de coque à deux températures réglées, ainsi que la vérification de la croissance microbienne pour e. coli seulement. Les recherches futures devraient tester la pertinence de cette conception de l’incubateur sous un plus grand éventail de paramètres de température et de l’utilisation des espèces microbiennes supplémentaires (p. ex., Enterococcus) et agents pathogènes (p. ex., salmonella, Vibrio de cholerae). Les recherches futures devraient se concentrer aussi sur le développement des techniques de refroidissement efficaces au sein de l’incubateur, permettant son utilisation dans des environnements extrêmement chauds (> 40 ° C).

À notre connaissance, il n’y a aucune autre incubateur de champ connu qui offre une capacité de volume adaptable et est facilement démontable, tout en restant transportable et à moindre coût. Cette alternative innovante aux incubateurs commercialement disponibles répond à un besoin pour les gouvernements et les organisations ayant la qualité de l’eau et d’autres objectifs de tests fondés sur la culture où il existe peu d’installations de laboratoire. Lorsqu’il est associé avec la qualité de l’eau simple équipement d’essai, cet incubateur peut aider les praticiens avec des capacités limitées d’établir des laboratoires permanents ou saisonniers à un coût raisonnable. En augmentant le nombre de laboratoires en région éloignée, des efforts pour effectuer la surveillance de qualité de l’eau ordinaire ou réaliser une surveillance ponctuelle du fonctionnement du système deviendra plus en plus réalisables.

Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Cette recherche a été financée par l’Agence suisse de coopération au développement et le programme REACH financé par UK aide fournie par le UK Department for International Development (DFID) au profit des pays en développement (Bélier Code 201880). Les opinions exprimées et les informations qu’il contenue ne sont pas nécessairement celles d’ou approuvés par ces agences, qui ne peuvent accepter aucune responsabilité pour ces vues ou d’informations ou pour toute confiance placé sur eux. Les auteurs remercient également Arnt Diener pour ses contributions aux premières itérations du prototype incubateur polystyrène expansé.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Feuille chauffanteThermo2115337Auto-adhésive 10x20 cm ; Tension de fonctionnement 12V ; Puissance 20W
Ventilateur axialYen Sun Technology Corp.FD126025MB6x6x2,5 cm ; Tension de fonctionnement 12VDC ; Puissance 1,44 W ; Consommation de courant max. 60mA
Régulateur de température PIDWachendorff Automation GmbH & Co. KGUR3274SRégulateur PID 32x74 mm ; Entrée universelle pour signaux de processus, thermocouples, Pt100 ; Tension de fonctionnement 24 VDC ; Sorties (thermostats) 10 A relais, 5 A relais, SSR, RS 485
Capteur de température Pt100Conrad198466Plage de température -100° ; C à 200° ; C; Capteur Pt100, Type FS-400P
Boîtier universelOKW Gehä ; utilisation SystèmeC2012201Dimensions 200 x 120 x 60 mm
Convertisseur DC/DCTraco PowerTMDC 60-2412Tension nominale 24 VDC ; Tension d’entrée 9-36 VDC ; Tension de sortie 12 VDC ; Courant de sortie max. 5 A ; Alimentation 60W
Adaptateur secteur BickerElektronikBET-0612Tension de sortie 12 VDC ; Courant de sortie max. 5 A ; Tension d’entrée 115-230 VAC
EntretoiseSchä ; fer Elektromechanik20/4Sans fil ; Taille du filetage M4 ; Polystyrène; Distance 20 mm
Presse-étoupeWISKA10066410M12 x 1,5 cm ; plage de serrage 3 &ndash ; 7 mm
Borne lustréeAdels Contact125312Courant nominal 25 A ; Tension nominale Vis 500V
M4 x 50Bossard1579010M4 x 50 mm
Écrou de vis M4Bossard1241478M4
Rondelle M4Bossard1887505Vis M4 M3
x 25Bossard1211099M3 x 25 mm
Écrou de vis M3Bossard1241443M3
Rondelle M3Bossard1887483M3
Plaque de support  ;-  ;  ;-  ;Matériau isolant (plastique ou autre) ; 28 x 25 cm

Références

  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).
  2. Köster, W., et al. Analytical methods for microbiological water quality testing. Assessing Microbial Safety of Drinking Water. , 237-277 (2003).
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  4. World Health Organization (WHO). Safely Managed Drinking Water - Thematic Report on Drinking Water. , WHO Press. Geneva. (2017).
  5. Peletz, R., Kumpel, E., Bonham, M., Rahman, Z., Khush, R. To what extent is drinking water tested in sub-Saharan Africa? A comparative analysis of regulated water quality monitoring. International Journal of Environmental Research and Public Health. 13 (3), 275(2016).
  6. Diener, A., et al. Adaptable drinking-water laboratory unit for decentralised testing in remote and alpine regions. 40th WEDC International Conference. , Loughborough, UK. 1-6 (2017).
  7. Malkin, R. A. Design of health care technologies for the developing world. Annual Review of Biomedical Engineering. 9 (1), 567-587 (2007).
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  9. DelAgua Water Testing Ltd. DelAgua Portable Water Testing Kit: User Manual Version 5.0. , Marlborough, UK. (2015).
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