מאמר שיטה

הקמת חממה נייד בעלות נמוכה עבור שדה והשתמש מעבדה

15.6K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/58443

⸱

19 במרץ 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

במאמר זה

סיכום

מאמר זה מתאר שיטה לבניית אינקובטור וישימה, בעלות נמוכה, יביל בדיקה מיקרוביאלית של מי שתייה. העיצוב שלנו מבוססת על חומרים הנפוצה ופועלים תחת מגוון תנאים שדה, ועדיין מציע את היתרונות של מודלים מבוססי המעבדה האיכותיים.

תקציר

חממות חיוניים עבור טווח המבוסס על תרבות שיטות מיקרוביאלי, כגון סינון ממברנה ואחריו טיפוח להערכת איכות המים לשתייה. עם זאת, חממות זמינים מסחרית לעיתים קרובות יקר, קשה להעביר, לא גמיש מבחינת נפח, ו/או אינם מתאימים לתנאי שדה מקומי איפה לא אמין גישה לחשמל. מטרת מחקר זה הייתה לפתח אינקובטור וישימה, בעלות נמוכה, יביל זה נבנה רכיבים זמינים. הגרעין אלקטרונית של החממה פותחה לראשונה. רכיבים אלה נבדקו אז תחת מגוון תנאים טמפרטורת הסביבה (3.5 ° C - 39 מעלות צלזיוס) באמצעות שלושה סוגי פגזים חממה (פוליסטירן מוקצף תיבת תיבת קריר יותר קשה, קופסת קרטון, מכוסה בשמיכה הישרדות). הליבה אלקטרוניות הראו ביצועים דומים חממה מעבדה רגיל מבחינת הזמן הדרוש כדי להגיע את הטמפרטורה להגדיר יציבות טמפרטורה פנימית, פיזור מרחבי, צריכת החשמל, צמיחת חיידקים. שבחבורה חממה היו גם יעיל בטמפרטורות סביבה בינוני ונמוך (בין 3.5 ° C עד 27 ° C), בטמפרטורות גבוהות (39 ° C) כאשר החממה הטמפרטורה היתה גבוהה יותר. את אב הטיפוס של חממה הוא בעלות נמוכה (< 300 USD) וניתנת להתאמה למגוון רחב של חומרים ואמצעי אחסון. מבנהו מתקפל מקל על תחבורה. זה יכול לשמש שתי מעבדות הוקמה לרשת החשמל או בהגדרות המרוחק מופעל על ידי אנרגיה סולארית או מצבר של מכונית. זה שימושי במיוחד כאפשרות ציוד למעבדות שדה באזורים בעלי גישה מוגבלת למשאבי לניטור איכות המים.

מבוא

מבוסס על תרבות שיטות לאיתור חיידקים מזהמים הן המדינה-של-the-art עבור בדיקות איכות מים בשני מתועשת במדינות מתפתחות1,2. מיקרואורגניזמים קיימים בסביבות רבות ודורשים בתנאי טמפרטורה שונה לצמיחה אופטימלית. לכן, יצירת סביבה הטמפרטורה יציב הדגירה היא תנאי מקדים זיהוי אמין של חיידקים מזהמים של דאגה במי השתייה. על פי ארגון הבריאות העולמי, Escherichia coli (e. coli) (או לחלופין, thermotolerant coliforms (TTC)) הם הסימנים המתאימים ביותר לזיהום צואתי מים לשתיה3. זיהוי של אורגניזמים אלה מורכב, לדוגמה, סינון מדגם 100 מ ל מים דרך קרום ואחריו דגירה של הקרום במדיה סלקטיבי-35-37 מעלות צלזיוס (e. coli) או 44-45 ° C (TTC)3.

יישומים מבוססי-שדה של שיטות מבוססות-תרבות לרלוונטית יותר ויותר בשנים האחרונות. תחת פיתוח בר קיימא המטרה 6, 6.1 היעד, ממשלות ביצעו בקביעות דוח איכות בקטריולוגית של שתיית מים ברמה הלאומית4. בנוסף מאמצים כאלה מעקב בריאות הציבור, פיקוח תפעולי של תשתיות המים באופן קבוע נעשה ב מקומיים או אזוריים ברמה5. מעקב אלה וקמפיינים ניטור לעיתים קרובות במיקומים מרוחקים איפה התשתית הנדרשת מעבדה לקוי או לא זמינה. 6 . באופן דומה, שיטות מבוססות-תרבות נמצאים בשימוש נרחב אבחון רפואי ומחקר מיקרוביולוגי מרפאות מקומיות ומוסדות מחקר עשוי לערער על-ידי משאבים מוגבלים ואיפה7ספקי כוח ביטחון.

בהקשרים הנ ל, חממות קונבנציונליים הם לעתים קרובות לקוי או לא זמינה. כחלופה, חממות שדה פותחו במיוחד לשימוש מחוץ למעבדה, למשל, Aquatest פרוייקט8, אוניברסיטת בריסטול, אנגליה; DelAgua9, מרלבורו, ארצות הברית; או Aquagenx10, אוניברסיטת צפון קרוליינה, ארצות הברית. עם זאת, התקנים אלה קטנות יחסית בכרך, ובכך יגביל במספר הדגימות אשר ניתן לעבד בו זמנית. שדה חממות בשוק גם שלא מתוכננות לפעול תחת מאוד נמוך (< 20 ° C) או גבוה מאוד (> 40 ° C) טמפרטורת הסביבה תנאים, מקשה על השימוש שלהם במדבר או סביבות אלפיני. עוד פתרונות חלופיים כוללים מכשירים להכנת יוגורט11, הגוף חגורות, וקרס חממות שינוי-שלב12. אולם, כאלה אינקובטורים קונבנציונאלי עשוי לתפקד unreliably או יכול להיות מעיק לפעול11.

יש בכך צורך אינקובטור מציעה את היתרונות של מודלים מבוססי המעבדה (קלות שימוש, נפח גדול, דיוק טמפרטורה) תוך שמירה על מתאים ליישומי שדה (חוסן נמוכים, בקלות מועבר ומתוחזק טווח טמפרטורות הסביבה, חיסכון באנרגיה, וספקי כוח גמיש כדי לסירוגין) (טבלה 1). המטרה של פרוטוקול זה היא לפרט את תהליך ייצור חממה בעלות נמוכה מיועד למטב את היתרונות של מודלים קונבנציונלי והן מבוססות על שדה שימוש בחומר הנפוצה.

מאפייןמבוסס המעבדהשדהאופטימיזציה
עיצוב מסוגנן וידידותי למשתמשfigure-introduction-1figure-introduction-2figure-introduction-3
קיבולת גדולהfigure-introduction-4figure-introduction-5figure-introduction-6
עמיד לטווח רחב של טמפרטורות הסביבהfigure-introduction-7figure-introduction-8figure-introduction-9
שומר על טמפרטורה קבועהfigure-introduction-10figure-introduction-11figure-introduction-12
עלות נמוכהfigure-introduction-13figure-introduction-14figure-introduction-15
בנקלfigure-introduction-16figure-introduction-17figure-introduction-18
צריכת אנרגיה יעילהfigure-introduction-19figure-introduction-20figure-introduction-21
גמיש לאספקת החשמל לסירוגיןfigure-introduction-22figure-introduction-23figure-introduction-24

טבלה 1: מאפייני חממות זמינים מסחרית (מבוסס המעבדה ואת השדה) ואת הגישה ממוטבת.

פרוטוקול האסיפה הבא מציין את החומרים הנדרשים ואת השלבים לבניית החממה. זה מובנה בארבעה שלבים: ראשית, הרכבה של יחידת החימום; השני, הרכבה של יחידת הבקרה; שלישית, הרכבה של חממה הליבה חשמל; והרכבה הרביעית, של החממה. פרוטוקול זה מסביר את הקמת הגרעין אלקטרונית של החממה, זה יכול לעבוד עם מגוון רחב של מוניטורים פגזים. ראה טבלה של חומרים עבור רשימה מלאה של כל הרכיבים בשימוש בפרוטוקול ובמפרט הטכני שלהם. להלן הפרוטוקול מציג דוגמה פונקציונלי של החממה שדה, אך שימוש גמיש של מרכיבים שונים אפשרי כל עוד הם למלא את דרישות חשמל. באמצעות מרכיבים שונים עשויים להשפיע על ההופעות של החממה. מומלץ כי הבנייה ואת החיווט של רכיבים חשמליים להיעשות על ידי אדם מיומן בתחום חשמל.

פרוטוקול

1. חימום יחידה

  1. לאסוף את הרכיבים הבאים (איור 1):
    figure-protocol-1תמיכה פלייט (280 x 250 מ"מ) עם חורים anchorage נדרש
    figure-protocol-2מפוח (60 x 60 x 25 מ מ); 2 x
    figure-protocol-3מרווח (אורך 20 מ מ, קוטר פנימי מ מ 4.25 (M4)); 4 x
    figure-protocol-4ברק מסוף עם שלושה פינים
    figure-protocol-5ההברגה (M4); 4 x ו (M3); 1 x
    figure-protocol-6מכונת כביסה (M4); 8 x ו (M3); 1 x
    figure-protocol-7בורג (M4); 4 x ו (M3); 1 x

figure-protocol-8
איור 1: רכיבים בודדים של יחידת החימום.  figure-protocol-9 תומך צלחת, figure-protocol-10 האוהדים צירית, figure-protocol-11 מפרידי, figure-protocol-12 הברק מסוף, figure-protocol-13 לעזאזל עם אגוזים, figure-protocol-14 דיסקיות, figure-protocol-15 ברגים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. לקדוח חורים הנדרש (איור 2) המשקולת תמיכה figure-protocol-16 כדי לאבטח את האוהדים צירית figure-protocol-17 כמו גם הטרמינל ברק figure-protocol-18 (איור 1).

figure-protocol-19
איור 2: תרשים סכמטי של תמיכה צלחת- אינדיקציות לקדוח חורים anchorage המשקולת תמיכה כדי לתקן את האוהדים צירית, כמו גם הטרמינל הברק. מרחקים ניתנת במילימטרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. עיגון האוהדים צירית figure-protocol-20 במרכז בצלחת תמיכה figure-protocol-21 כפי שמוצג באיור 3 עם שני ברגים M4, שיבות דיסקיות figure-protocol-22 , figure-protocol-23 , figure-protocol-24 לכל אוהד. השתמש קפיציות figure-protocol-25 לעזוב. המרחק בין האוהדים את הצלחת תמיכה (איור 3).
  2. עיגון הטרמינל ברק figure-protocol-26 לצלחת תמיכה figure-protocol-27 באמצעות M3 בורג ההברגה, מכונת כביסה ומייבש. אבטח את האוהדים בכבלים. (איור 3).
  3. חבר את כבלי מאוורר עם הטרמינל הברק. מחברים את כבלי חיובית של כל אוהד יחד שהכבלים שלילי של כל אוהד ביחד (איור 3). חיישן מהירות אינה נדרשת.

figure-protocol-28
איור 3: מאווררים ציריים קבוע בצלחת תמיכה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

הערה: הצבעים כבל הזכיר מקבילים אלה שבהם הדמויות. הצבעים כבל עשוי להשתנות בהתאם החומר המשמש.

2. שליטה יחידה (ספק כוח)

  1. לאסוף את המרכיבים הבאים:
    figure-protocol-29מארז אוניברסלי (כאן 200 x 120 x 60 מ מ, אבל מידות יהיה תלוי בגודל של הממיר DC/DC לבין בקר טמפרטורה PID)
    figure-protocol-30/ את החשמל
    figure-protocol-31ממיר DC/DC, טווח קלט מתח 9 - 36V, פלט מתח 12V
    figure-protocol-32בקר טמפרטורה PID, V 12-35/הפעלה מתח DC
    figure-protocol-33בלוטת כבל, M12 x 15 ממ, מחבר חובק למעקה טווח 2-7.5 מ מ (או על פי על הכבל המשמש)
    figure-protocol-34חיישן טמפרטורה Pt100
    figure-protocol-35ספק כוח AC
    הערה: החממה ניתן לחבר את ספק הכוח עיקריות או סוללה. במקרה של פעולת עיקריות, אספקת חשמל AC נדרש, אם יחידת מחובר באופן בלעדי עיקריות, הממיר DC/DC אינה חובה. במקרה של פעולת הסוללה, הממיר DC/DC מומלץ בחום, כבל תיל-שני נדרש במקום אספקת החשמל AC. פרוטוקול זה מציג את הגירסה עם הממיר DC/DC ו- AC הזרם. דיאגרמה החשמל של הליבה חשמל חממה מפורט בחומר משלים (איור S1).
  2. מיל הפתחים עבור בקר טמפרטורה PID, הדלקה וכיבוי מתג, בלוטות כבל אל תוך המתחם עם מקדחה, פאזל, או כלי המקביל (איור 4).

figure-protocol-36
איור 4: תרשים סכמטי של המתחם אוניברסלי. (א) אינדיקציות כדי למקם את בקר טמפרטורה figure-protocol-37 , מתג הפעלה/כיבוי figure-protocol-38 , בלוטות כבל figure-protocol-39 אל תוך המתחם אוניברסלי; מרחקים ניתנת במילימטרים. (b) תצוגת תלת-ממד של המתחם אוניברסלי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. לחבר את הממיר DC/DC מתג הפעלה/כיבוי: חבר את כבל חיובית של מתאם זרם החילופין את המתג ואת הכבל שלילי של מתאם זרם החילופין "-וין" של הממיר DC/DC (איור 5).
  2. להשתמש בכבל כדי לחבר את המתג+ וין"של הממיר DC/DC (איור 5).

figure-protocol-40
איור 5: רכוב לשלוט ההוראה מארז אוניברסלי figure-protocol-41 עם ממיר/DC figure-protocol-42 מחובר בקר טמפרטורה PID figure-protocol-43 , מתג הפעלה/כיבוי figure-protocol-44 . אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. חבר את כבלי מ יחידת החימום בקר טמפרטורה PID כדלקמן (איור 6):
    1. חיבור מסוף "1" של בקר טמפרטורה PID לכבל "DC –" מן החימום יחידת חיבור ולחוות "-Vout" מסוף של הממיר DC/DC.
    2. לחבר "DC +" חוט הולך יחידת חימום עד מסוף "4" של בקר טמפרטורה PID גם לגבי ה-"2" מסוף בקר טמפרטורה PID (ראה הצבע 3.2).
    3. לחבר את מסוף "2" של בקר טמפרטורה PID+ Vout"מסוף של הממיר DC/DC.
    4. להתחבר מסוף "5" של בקר טמפרטורה PID החבל "הפקודה" הולך יחידת החימום. (ראה הצבע 3.2).
    5. לחבר את חיישן טמפרטורה המסופים "10", "11" ו "12".
      הערה: הכבל האדום של החיישן בטמפרטורה חייב להיות מחובר המסוף "11" של בקר טמפרטורה PID.
  2. לעגן את הממיר DC/DC עם קלטת Velcro בחלק התחתון של המתחם וסגור את המתחם אוניברסלי.

figure-protocol-45
איור 6: כבל חיבור של ממיר DC/DC עם בקר טמפרטורה PID. ממיר/DC figure-protocol-46 , בקר טמפרטורה PID figure-protocol-47 , חיבור מוניטורים (כבל A) וחיבור חיישן טמפרטורה (כבל B). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

הערה: הפונקציות של המסופים בקר טמפרטורה PID בשימוש ניתנים בטבלה מס ' 2.

בקר טמפרטורה PID מסוףפונקציה
מסוף "1"לספק קלט +
מסוף "2"אספקת קלט-
"טרמינל"פקד הפלט קשר משותף
מסוף "5"פקד הפלט פתוחים בדרך כלל קשר

טבלה 2: פונקציות המתאים המסופים בקר טמפרטורה PID.

3. הרכבה של ליבת חשמל חממה

  1. לאסוף את המרכיבים הבאים:
    יחידת חימום של סעיף 1
    יחידת בקרה של סעיף 2
    figure-protocol-48חימום foils, דביק, 100 x 200 מ מ, 12 V/20 W, 2 x
  2. קישור את כבלי חיבור מיחידת הבקרה אל יחידת חימום כדלקמן (איור 7):
    1. מחברים את החוט "DC -" מיחידת הבקרה עם ה מנצח אחד של כל אחד foils חימום החוט שלילי של כל אוהד.
    2. לחבר את החוט "DC +" בא מיחידת הבקרה עם הכבל חיובית של כל אוהד.
    3. לחבר את החוט "פקודה" מיחידת הבקרה מנצחים שני הנותרים של foils חימום.

figure-protocol-49
איור 7: כבל חיבור של חימום foils figure-protocol-50 עם בקר טמפרטורה PID. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

הערה: השדה שמולאו חממה חשמל הליבה של החממה מוצג באיור8.

figure-protocol-51
איור 8: השדה השלם חממה הליבה חשמל. יחידת חימום figure-protocol-52 , יחידת בקרה figure-protocol-53 , רגש טמפרטורה figure-protocol-54 . אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

4. הרכבה של החממה

  1. לאסוף את המרכיבים הבאים:
    הליבה חשמל חממה
    חממה מעטפת (כאן פוליסטירן מוקצף תיבת, אבל יכול להיות כל סוג של תיבת עשוי חומר בידוד)
    תומך מדף (כאן מתכת לארון תקשורת, אבל יכול להיות חומר נוסף)
  2. למקם את הרכיבים חממה יחד כדלקמן (איור 9):
    1. המקום המעטפת חממה על צידה, כך הפתח של החממה (הדלת) ממוקם בצד.
    2. הנח לצלחת תמיכה עם יחידת החימום בחלק התחתון של המעטפת חממה.
    3. במקום המדף תמיכה מעל יחידת החימום, משאיר רווח של מינימום של 10 ס מ בין יחידת חימום התמיכה ארון תקשורת.
    4. למקם את המכשיר הטמפרטורה על המדף תמיכה ואבטח אותו בחממה.
  3. קודחים חורים הדלת של החממה כדי לאפשר כניסתם של הכבלים (איור 9).
  4. להתחבר החממה מקור הכוח.
  5. הפעלת החממה והתאם את ההגדרות של בקר טמפרטורה PID (ראה טבלה S1 בחומר משלים עבור הגדרות מפורטות).

figure-protocol-55
איור 9: חממה השדה השלם- (משמאל) פתוחות וסגורות (מימין). יחידת חימום figure-protocol-56 , תומך מדף figure-protocol-57 , רגש טמפרטורה figure-protocol-58 , יחידת בקרה figure-protocol-59 , חממה מעטפת figure-protocol-60 חורים עבור כבלי במעטפת חממה (חגו באזור). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

הערה: הקליפה של החממה ניתן קופסה של כל סוג של חומר. מומלץ להשתמש בחומר בידוד, וכי תיבת נסגרת היטב כדי למנוע פיזור החום. המתלה תמיכה צריך להכיל חורים גדולים כדי למנוע ההצטברות של חום בארון, החומר יכול להיות מתכת או אחרים (למשל פלסטיק).

תוצאות

האמינות של חממה שדה חזקים טמון ביכולת לשמור על טמפרטורה קבועה בתנאים שונים. כדי לפקח על הביצועים של שבחבורה מגשים שונים, נעשו מדידות הבאות: הזמן הדרוש כדי להגיע לטמפרטורה להגדיר, ההשפעה של פתיחת הדלת למשך דקה אחת, צריכת חשמל 24 שעות של פעולה, יציבות טמפרטורה פנימית מעל 24 שעות של הפעולה, והתבוננות של e. coli צמיחה. הטמפרטורה בתוך החממה נמדדה כל דקה עם 4 התקנים רישום הטמפרטורה ממוקמים בעמדות שונות במבנה (תמיכה מתלה קיר, העליון, בתוך צלחת צמיחה). לטמפרטורה להגדיר נחשב להגבות, כאשר כל המדידות היו בתוך פלוס או מינוס 2 ° C, וזו הטווח המקובל עבור הדגירה של e. coli. 13

ליבת אלקטרונית נבדקה יחד עם שלושה סוגי פגזים, שימוש בחומרים המצויים בדרך כלל במדינות רבות: תיבה פוליסטירן מוקצף (78 ליטר) קופסת קריר פלסטיק קשיח (30 ליטר), קופסת קרטון מכוסה בשמיכה הישרדות (46 ליטר) ( איור 10). כדי לכסות את מגוון של תנאי הסביבה זה יכולה להיות מנוסה בתחום, קופצים מדגרה אלה נבדקו בטמפרטורות סביבה שלושה: אמביינט (בערך 27 ° C), קר (בערך 3.5 ° C ו 7.5 ° C), חם (כ 39 ° C). נבדקו מדדי הביצוע קובעת את הטמפרטורה הפנימית 37 ° C ו- 44.5 ° C.

הפעם כדי להגיע לטמפרטורה להגדיר ב וייצג הושפע טמפרטורת הסביבה של החומר של המעטפת חממה. בטמפרטורת החדר של 27 ° C, שבחבורה חממות שלוש הגיעו הטמפרטורות set (37 ° C ו- 44.5 ° C) בזמן דומה (איור 11 א ואיור 12a) דומה עם הביצועים של חממה סטנדרטי (טבלה 3). בסביבות קר (3.5 ° C ו- 7.5 ° C), וייצג עם קליפות עבות, קרי, קצף פוליסטירן, תיבת קריר יותר, הגיעו הטמפרטורות קבע את היעד (37 ° C ו- 44.5 ° C) זמן דומה; . ארבע פעמים יותר מאשר תחת טמפרטורת הסביבה של 27 מעלות צלזיוס. עם בידוד התחתון שלה, קופסת קרטון עם שמיכת הישרדות הגיעה לעולם מלא הטמפרטורות קבע בתנאים קר בטמפרטורת הסביבה (איור 11 ב וכן איור 12b). בסביבה חמה (39 ° C), שבחבורה חממה שלושה להגיע את טמפרטורת היעד של 44.5 ° C בתוך פחות מ-10 דקות (איור 12 c). עם זאת, כאשר לטמפרטורה להגדיר היה של 37 ° C, קרי, נמוך יותר, טמפרטורת הסביבה של אף אחד וייצג יכול להנמיך את הטמפרטורה, וכתוצאה מכך התחממות יתר עבור כל חממה 3 להגדיר ups (איור 11 c).

טמפרטורת הסביבה של ואת הסוג של חממה מעטפת השפיע על ההשפעה של פתיחת הדלת של החממה במשך דקה. איבוד חום גדולה יותר בסביבה קר והיה הזמן כדי להתאושש הטמפרטורות ערכה הפנימי יותר, למעט החממה קופסת קרטון איפה ערכת הטמפרטורות היו מעולם לא הגיעו (איור 13 ב' , איור 14 ב). בסביבות חם, איבוד חום הייתה מוגבלת ערכת טמפרטורות התגלו ב פחות מ-10 דקות (איור 13aג , איור 14 א'ג). טמפרטורת הסביבה של 39 מעלות צלזיוס, טמפרטורה קבועה של 37 ° C, פותח את הדלת לא לגרום ולא להפחית התחממות יתר אינקובטורים (איור 13 ג).

צריכת הזרם גדל עם סביבות קר ועם עלייה לטמפרטורה להגדיר. בידוד טוב יותר במדגרה פגזים (פוליסטירן מוקצף, תיבת קריר יותר) הראה על צריכת חשמל מופחתת לעומת החממה קופסת קרטון. בסביבות דומות (טמפרטורת הסביבה של 27 ° C), האנרגיה 0.22 כדי 0.52 קוט ש/24 שעות פחות set-ups נצרך אינקובטור שלוש מאשר חממות רגיל בדקה (טבלה 3).

הטמפרטורה בחממה נשארה יציבה יותר מ 24 שעות עם כל סוג של חממה פגזים, טמפרטורת החדר נבדק (איור 13 ואיור 14). סטיות של הטמפרטורה שנמדדה בהשוואה לטמפרטורה להגדיר נצפו בהתאם למיקום של המכשיר רישום הטמפרטורה בחממה. מלבד הבדיקות עם טמפרטורת הסביבה של (39 ° C) חם יותר מאשר לטמפרטורה להגדיר (37 ° C) (איור 13 ג), הווריאציות טמפרטורה היו הכל בתוך הטווח המקובל 2 ° C עבור e. coli הדגירה.

כל הבדיקות בוצעו בנוכחות e. coli ו חומרים סך מדידה קוליפורם (ממברנה מסנן מניחים על הצלחת הגידול). בית מדגם הונחו כל הגדרת חממה ובתחום של חממה סטנדרט להשוואה. כל set-ups, תנאים, הגידול של e. coli ו הכולל קוליפורם היה מצליח להשוות הגידול שנצפה בחממה סטנדרטי. סיכום של תצורות חממה ובתנאים טמפרטורת הסביבה נבדק עם התוצאות מוצגות בטבלה3.

מבחן 1:
זמן לקביעת טמפרטורה		מבחן 2:
לצד הדלת נפתחת דקה אחת		מבחן 3:
צריכת החשמל במשך 24 שעות ביממה		מבחן 4:
טמפרטורה וריאציה במשך 24 שעות ביממה		מבחן 5:
E. coli צמיחה שנצפו
טמפרטורת הסביבהטמפרטורה קבועה(דקות)ההפסד המקסימלי של טמפרטורה (° C); זמן להתאושש טמפרטורה קבועה (דקות)(h קוט ש/24)טמפרטורה מקסימלית מוחלטת (° C); טמפרטורה מינמלית מוחלטת (° C) *(כן / לא)
תיבת פוליסטירן מוקצף3.5 ° C37 ° C4510 ° C; 17 דקות0.7837; 35.5כן
7.5 ° C44.5 ° C7416.5 מעלות צלזיוס; 31 דקות0.8944.5; 42.5NDא
27 ° C37 ° C122.5 ° C; 3 דקות0.2837.5; 36.5כן
44.5 ° C204.5 ° C; 7 דקות0.4344.5; 43.5NDא
39 ° C37 ° C0 (התחממות יתר)2 ° C; 0 דקות (התחממות יתר)0.1142.5; 42כן
44.5 ° C73.5 ° C; 5 דקות0.1745; 43.5NDא
תיבת קריר יותר קשה3.5 ° C37 ° C548 ° C; 10 דקות0.86 ולגובה37.5; 36כן
7.5 ° C44.5 ° C9612 ° C; 30 דקות1.0545; 43NDא
27 ° C37 ° C131.5 ° C; 0 דקות0.2737.5; 36.5כן
44.5 ° C252 ° C; 4 דקות0.5045; 43.5NDא
39 ° C37 ° C0 (התחממות יתר)1 ° C; 0 דקות (התחממות יתר)0.1143; 42.5כן
44.5 ° C94 ° C; 3 דקות0.1945.5; 44.5NDא
קופסת קרטון עם שמיכת הישרדות3.5 ° C37 ° Cלא הגיעה (טמפרטורה יציבה לאחר 109 דקות)6.5 מעלות צלזיוס; טמפרטורה יציבה לאחר 30 דקות1.2433.5; 30.5כן
7.5 ° C44.5 ° Cלא הגיעה (טמפרטורה יציבה לאחר 120 דקות)8 ° C; טמפרטורה יציבה לאחר 20 דקות1.2836.5; 32NDא
27 ° C37 ° C152.5 ° C; 6 דקות0.4236.5; 35.5כן
44.5 ° C243 ° C; 8 דקות0.7044.5; 42.5NDא
39 ° C37 ° C0 (התחממות יתר)1.5 ° C; 0 דקות (התחממות יתר)0.1141.5; 40כן
44.5 ° C92 ° C; 0 דקות0.2045; 43.5NDא
חממה סטנדרטי27 ° C37 ° C181 ° C; 0 דקות (התחממות יתר)0.6438.5; 36NDא
44.5 ° C23 (התחממות יתר)2.5 ° C; 0 דקות0.9547.5; 43.5NDא

טבלה 3: סיכום התוצאות עבור תצורות חממה ו טמפרטורת הסביבה תנאים נבדק. * מבחן 4: טמפרטורה מקסימלית וללא מינימלית מוחלטת שנרשם במהלך התקופות יציב, קרי, מ- 10 דקות לאחר סיום אירוע משובש (זמן כדי להגיע לטמפרטורה להגדיר, פותח את הדלת). א ND: אין נתונים, הבדיקה לא יפעל.

figure-results-1
איור 10: חממה פגזים בדקה. פתח (בשורה העליונה) ונסגר (השורה התחתונה). פוליסטירן מוקצף (שמאל), התיבה עובי 3.5 ס"מ, מידות החיצוני 39 x 56 x 36 ס מ; קשה פלסטיק קריר תיבת (באמצע), עובי 2.5 ס מ, מידות החיצוני 32 x 41 x 47 ס מ; קופסת קרטון (מימין) מכוסה בשמיכה הישרדות סטנדרטי של עובי של 12 מיקרומטר מקופל פעמיים, 30 x 42 x 37 ס"מ. מידות החיצוני אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

figure-results-2
איור 11: זמן להגיע לטמפרטורה להגדיר (37 מעלות צלזיוס) של שבחבורה חממה בתנאים שונים טמפרטורת הסביבה. הופעות של חממות עם פגז של תיבה פוליסטירן מוקצף תיבה קריר יותר קשה, קופסת קרטון, מכוסה בשמיכה הישרדות. -חדר טמפרטורת הסביבה (), טמפרטורת הסביבה קר (b)ו בטמפרטורת חמה (c). הטמפרטורות הקליט על המדף תמיכה אינקובטורים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

figure-results-3
איור 12: זמן להגיע לטמפרטורה להגדיר (44.5 ° C) של שבחבורה חממה בתנאים שונים טמפרטורת הסביבה. הופעות של חממות עם פגז של תיבה פוליסטירן מוקצף תיבה קריר יותר קשה, קופסת קרטון, מכוסה בשמיכה הישרדות. -חדר טמפרטורת הסביבה (), טמפרטורת הסביבה קר (b)ו בטמפרטורת חמה (c). הטמפרטורות הקליט על המדף תמיכה אינקובטורים.  אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

figure-results-4
איור 13: הבדלי הטמפרטורות על פני 24 שעות ואת ההשפעה של הדלת נפתחת בתנאים שונים טמפרטורת הסביבה. הגדר בטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס. הופעות של חממות עם פגז של תיבה פוליסטירן מוקצף תיבה קריר יותר קשה, קופסת קרטון, מכוסה בשמיכה הישרדות. -חדר טמפרטורת הסביבה (), טמפרטורת הסביבה קר (b)ו בטמפרטורת חמה (c). אזורים חגו להראות הווריאציות הטמפרטורה עקב הדלת נפתחת למשך דקה אחת. הטמפרטורות הקליט על המדף תמיכה אינקובטורים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

figure-results-5
איור 14: הבדלי הטמפרטורות על פני 24 שעות ואת ההשפעה של הדלת נפתחת בתנאים שונים טמפרטורת הסביבה. טמפרטורה קבועה של 44.5 מעלות צלזיוס. הופעות של חממות עם פגז של תיבה פוליסטירן מוקצף תיבה קריר יותר קשה, קופסת קרטון, מכוסה בשמיכה הישרדות. -חדר טמפרטורת הסביבה (), טמפרטורת הסביבה קר (b)ו בטמפרטורת חמה (c). אזורים חגו להראות הווריאציות הטמפרטורה עקב הדלת נפתחת למשך דקה אחת. הטמפרטורות הקליט על המדף תמיכה אינקובטורים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

figure-results-6
S1 איור: תרשים חשמלי של חיווט חשמלי הליבה חממה. חלופות עיקריות מבצע ותפעול סוללה מצוינים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

פרמטרהערך שנבחר
1סוג של פקד הפלטלשלוט Q1 / אזעקה Q2
2סוג חיישן המחוברPt100 (-200 עד 140 ° C)
3הגבול התחתון ניתן לבחירה עבור ערך setpoint0
4גבול עליון לבחירה עבור ערך setpoint50
5סוג של שליטהחימום
6ON/OFF היסטרזיס או להקה מת עבור פקד P.I.D.0
7ביחס רוחב פס של תהליך לבטא יחידות (° C אם הטמפרטורה)1
8זמן נפרד. Intertia של תהליך המבוטא שניות80.0
9נגזרות זמן P.I.D.20.0
10זמן מחזור לפלט מינון-זמן10
11לאפשר/למנוע שינוי של ערכים setpoint על ידי המקלדת חזיתיתלאפשר שינוי של כל setpoints
12תוכנת סינון. מספר הקריאות כדי לחשב את ההשוואה ערך PV-SPV10
13לימודים לתואר° C
14סוג של נוזל קירוראוויר

S1 טבלה: הגדרות בקר טמפרטורה PID. התצוגה של ערכי קבוצת; לא הכרחי להפעלת החממה פרמטרים אחרים נשארו לערכי ברירת המחדל.

דיון

תחת 6.1 המטרה פיתוח בר קיימא, גוברת הדרישה דיגום איכות מים, במיוחד באזורים הכפריים איפה שיטות ניטור פחות הוקמה14. מחסום מרכזי להטמעת איכות מים רגילים בדיקות הגדרות אלה היא גישה המסכן מעבדות מסוגל לתמוך שיטות מיקרוביאלי6. מאמר זה מציג שיטה חממה אמין נבנה מחומרים זולים יחסית, הנפוצה. רכיבים חשמליים קלים יחסית מקור ולהרכיב, הדורשים מוגבלת מומחיות. יתר על כן, העיצוב של מעטפת חממה הוא גמיש, ולכן יכול להיות בנויים מחומרים זמינים באופן מקומי. זה רצוי במיוחד עבור אלה הנוסעים למקומות מרוחקים, מאז מטען אינה דרושה עבור פגז כבד, מגושם. בהתאם הפגז, הנפח של החממה גם יכולת הסתגלות, ניתן לשנות גודל כדי להתאים את גודל דגימה מסוים. הסידור שהוצגו יכול להיות בשימוש בואת מהשטח, מה שהופך אותו חזקים הפסקת חשמל או היעדר אספקת חשמל אמינה. בעוד מגבלות עיצוב מסוימים נצפו, זו הגדרת למעלה בדרך כלל הוכיח כיעיל תחת מגוון תנאים טמפרטורת הסביבה (3.5 ° C עד 39 מעלות צלזיוס).

ישנם מספר שלבים בפרוטוקול קריטית להשגת חממה בעל עיצוב מתאים לצרכים של האדם. הראשון הוא הבחירה של רכיבים חשמליים של החממה. רכיבים חלופית יכולה להיבחר על בסיס המחיר או את מידת זמינותם. בהתאם החומר שנבחר שלהם מפרט טכני, החממה אולי שינו הופעות לעומת התוצאות שהוצגו. עוד צעד קריטי בפרוטוקול הוא הבחירה של מעטפת חומר, אשר צריכה להיעשות בהתבסס על טווח טמפרטורות הסביבה, אספקת חשמל מקומיות וזמינות של חומרים הצפוי. בטמפרטורות נמוכות סביבה (< 25 ° C), פגז הבנוי פוליסטירן מוקצף או תיבה קריר יותר קשה מומלץ להשיג על טמפרטורה קבועה של 37 ° C עד 44.5 ° C. בהתבסס על נתונים ניסיוניים שהוצגו, אלה מגדירים עליות צפויים להגיע לטמפרטורה להגדיר ב 45-96 דקות, צורכים 0.78 - 1.05 קוט ש/24 שעות בסביבות קר (3.5 ל 7.5 ° C). תיבת קרטון עם שמיכת הישרדות לא מומלץ לשימוש בטמפרטורות סביבה התחתון מאז זה להגדיר מעולם לא הגיעו שאורווה להגדיר טמפרטורה במהלך תקופת הייזנרייך. בטמפרטורת החדר מתונה (27 ° C) בכל אחד מסוגי מעטפת נבדק מקובלים, עם צריכת החשמל הדומה מעט גדול יותר נצפו עבור ערכת תיבת קרטון למעלה. בטמפרטורות גבוהות יותר סביבה (39 ° C), חממה העיצובים המוצגים כאן היו מועדים אם ההתחממות אלא אם כן קבע הטמפרטורה היתה גבוהה יותר (קרי, 44.5 ° C). לכן, תנאים לדרוש מכשיר הקירור או להשתמש בחלל האקלים נשלטת.

העלות של בניית החממה המובאת כאן היה כ 300 דולר, כאשר חומרים היו מקורות בשוויץ. עם זאת, עלויות אלה עשוי להיות נמוך משמעותית במקומות שונים, במיוחד אם והוצאות עבור רכיבי הליבה אלקטרונית המשלוח יכול להישמר עד למינימום. שינוי של הרכיבים השונים המתוארים הפרוטוקול יכול לצמצם עוד יותר את העלויות. פרוטוקול המוצג כאן הוא מוגבל בכך משווה רק שלושה סוגי חומרים מעטפת הטמפרטורות קבע, כמו גם אימות של צמיחת חיידקים עבור e. coli בלבד. למחקר עתידי צריך לבדוק את התאמת עיצוב זה חממה תחת טווח גדול יותר של פרמטרים טמפרטורה באמצעות מחוון חיידקים נוספים מינים (למשל, Enterococcus) ו פתוגנים (למשל, סלמונלה, ויבריו cholerae). למחקר עתידי גם להתמקד על פיתוח טכניקות קירור יעיל בתוך החממה, אשר תאפשר לשימוש בסביבות מאוד, חם (> 40 ° C).

הידע שלנו, יש אין חממה שדה ידועים אחרים מציע קיבולת נפח וישימה והוא בקלות ניתן לפריקה, תוך שמירה על יביל, בעלות נמוכה. חלופה חדשנית זו כדי חממות זמינים מסחרית ממלא צורך ממשלות וארגונים עם איכות המים ויעדים אחרים מבוססי-תרבות בדיקה שבו כמה מתקני המעבדה הינם זמינים. כאשר יחד עם איכות המים פשוט ציוד בדיקה, חממה זה יכול לעזור מתרגלים עם קיבולת מוגבלת להקים מעבדות קבוע או עונתי במחיר סביר. על ידי הגדלת מספר מעבדות באזורים מרוחקים, מאמצים כדי לנהל מעקב איכות מים רגילים או להשיג דייקן פיקוח על פעולות מערכת יהפכו יותר ויותר ריאלי.

גילויים

המחברים אין לחשוף.

תודות

מחקר זה נתמך על ידי הסוכנות שוויצרי עבור פיתוח ושיתוף התכנית יד ממומן על ידי בריטניה סיוע ממשרד בבריטניה עבור הפיתוח הבינלאומי (DFID) לטובת מדינות מתפתחות (טלה קוד 201880). הדיעות והמידע הכלול בו אינם בהכרח אלה של או שאושרה על ידי סוכנויות אלה, אשר יכול לקבל אחריות עבור תצוגות או מידע כאמור או כל הסתמכות שהוטלו עליהם. המחברים מודים גם Arnt Diener על תרומותיו המוקדמות חזרות של האבטיפוס חממה פוליסטירן מוקצף.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
רדיד חימוםתרמו2115337דבק עצמי 10x20 ס"מ; מתח הפעלה 12V; הספק 20W
מאוורר ציריYen Sun Technology Corp.FD126025MB6x6x2.5 ס"מ; מתח הפעלה 12VDC; הספק 1.44W; מקסימום צריכת זרם 60mA
בקר טמפרטורת PIDWachendorff Automation GmbH & Co. בקר PID UR3274S KG32x74 מ"מ; קלט אוניברסלי לאותות תהליך, צמדים תרמיים, Pt100; מתח הפעלה 24 VDC; יציאות (תרמוסטטים) ממסר 10 A, ממסר 5 A, SSR, RS 485
חיישן טמפרטורה Pt100Conrad198466טווח טמפרטורות -100° C עד 200° C; חיישן Pt100, סוג FS-400P
מארז אוניברסליOKW Gehä להשתמש במערכתC2012201מידות 200 x 120 x 60 מ"מ
ממיר DC/DC TracoPowerTMDC 60-2412כרך נומינליtage 24 VDC; מתח כניסה 9-36 VDC; מתח יציאה 12 VDC; מקסימום זרם פלט 5 A; מתח 60W
מתאם מתח ACBicker ElektronikBET-0612מתח יציאה 12 VDC; מקסימום זרם פלט 5 A; מתח כניסה 115-230 VAC
מרווחSchä fer Elektromechanik20/4ללא חוט; גודל חוט M4; פוליסטירן; מרחק 20 מ"מ
בלוטת כבליםWISKA10066410M12 x 1.5 ס"מ; טווח הידוק 3 – מסוף זוהר 7 מ"מ
Adels מגע125312זרם נומינלי 25 A; מתח נומינלי 500V
בורג M4 x 50Bossard1579010M4 x 50 מ"מ
אגוז בורג M4Bossard1241478M4
מכונת כביסה M4Bossard1887505M4
בורג M3 x 25Bossard1211099M3 x 25 מ"מ
אגוז בורג M3Bossard1241443M3
מכונת כביסה M3Bossard1887483M3
לוחית תמיכה -  - חומר בידוד (פלסטיק או אחר); 28X25 ס"מ

מקורות

  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).
  3. World Health Organization (WHO). Guidelines for Drinking Water Quality. , 4th Edition, WHO Press. Geneva. (2011).
  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).
  8. Rahman, Z., Khush, R., Gundry, S. Aquatest: Expanding Microbial Water Quality Testing for Drinking Water Management. Drinking Water Safety International. 1 (4), 15-17 (2010).
  9. DelAgua Water Testing Ltd. DelAgua Portable Water Testing Kit: User Manual Version 5.0. , Marlborough, UK. (2015).
  10. Aquagenx LLC. Portable Incubator Fabrication Instructions. , Chapel Hill, NC. (2015).
  11. Nair, J., Mathew, K., Ho, G. E. Experiences with implementing the H2S method for testing bacterial quality of drinking water in remote aboriginal communities in Australia. Water for all life: A decentralized infrastructure for a sustainable future. , (2007).
  12. Kandel, P., Kunwar, R., Lamichhane, P., Karki, S. Extent of fecal contamination of household drinking water in Nepal: Further analysis of Nepal Multiple Indicator Cluster Survey 2014. American Journal of Tropical Medicine and Hygiene. 96 (2), 446-448 (2017).
  13. Edberg, S. C., Rice, E. W., Karlin, R. J., Allen, M. J. Escherichia coli: the best biological drinking water indicator for public health protection. Journal of Applied Microbiology. 88 (51), 1065-1165 (2000).
  14. Taylor, D. D. J., Khush, R., Peletz, R., Kumpel, E. Efficacy of microbial sampling recommendations and practices in sub-Saharan Africa. Water Research. 134, 115-125 (2018).

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

PID

מאמרים קשורים