Articolo metodologico

Costruzione di un incubatore Mobile a basso costo per campo e di laboratorio

DOI:

10.3791/58443

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19 marzo 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

In questo articolo

Sommario

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

Questo documento descrive un metodo per la creazione di un incubatore adattabile, low-cost e trasportabile per analisi microbica dell'acqua potabile. Il nostro design è basato su materiali ampiamente disponibili e può operare in una gamma di condizioni di campo, pur offrendo i vantaggi di modelli basati su laboratorio di fascia alta.

Abstract

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

Gli incubatori sono essenziali per una gamma di metodi microbici basati su cultura, come la filtrazione su membrana seguita da coltivazione per la valutazione della qualità dell'acqua potabile. Tuttavia, incubatrici disponibili in commercio sono spesso costosi, difficili da trasportare, non flessibile in termini di volume, e/o mal adattati alle condizioni del campo locale dove l'accesso all'elettricità è inaffidabile. Lo scopo di questo studio era di sviluppare un incubatore adattabile, low-cost e trasportabile che può essere costruito usando componenti prontamente disponibili. Il nucleo elettronico dell'incubatore è stato sviluppato. Questi componenti sono stati testati quindi in una gamma di condizioni di temperatura ambiente (3,5 ° C - 39 ° C) utilizzando tre tipi di conchiglie incubatore (scatola di polistirolo espanso, duro fresco box e scatola di cartone coperto con una coperta di sopravvivenza). Il nucleo elettronico ha mostrato prestazioni paragonabili a un incubatore da laboratorio standard in termini di tempo richiesto per raggiungere la temperatura impostata, stabilità della temperatura interna e dispersione geografica, consumo energetico e la crescita microbica. Il set-up incubator erano inoltre efficaci a moderata e bassa temperatura (tra 3,5 ° C e 27 ° C), e alle alte temperature (39 ° C) quando l'incubatrice impostata la temperatura era più alta. Questo prototipo di incubatrice è basso costo (< 300 USD) e adattabile ad una varietà di materiali e volumi. La sua struttura smontabile lo rende facile da trasportare. Può essere utilizzato in entrambi i laboratori stabiliti con rete elettrica o in impostazioni di connessione remota alimentate da energia solare o una batteria per auto. È particolarmente utile come un'opzione di attrezzature per i laboratori di campo nelle aree con accesso limitato alle risorse per il monitoraggio della qualità dell'acqua.

Introduzione

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

Metodi basati sulla cultura per la rilevazione di contaminanti microbici sono lo stato-of-the-art per analisi di qualità dell'acqua in entrambi paesi industrializzati e paesi in via di sviluppo1,2. Microrganismi presenti in molti ambienti e richiedono temperature diverse condizioni per una crescita ottimale. Di conseguenza, creando un ambiente di incubazione temperatura-stabile è una precondizione per la rilevazione affidabile di contaminanti microbici di preoccupazione nell'acqua potabile. Secondo l'organizzazione mondiale della sanità, Escherichia coli (Escherichia coli) (o in alternativa, thermotolerant coliformi (TTC)) sono i più idonei indicatori di contaminazione fecale in acqua potabile3. Rilevamento di questi organismi consiste di, ad esempio, un campione di 100 mL d'acqua attraverso una membrana seguita da incubazione della membrana su terreni selettivi a 35-37 ° C (Escherichia coli) o 44-45 ° C (TTC)3di filtraggio.

Applicazioni basate su campo dei metodi basati sulla cultura sono diventati sempre più rilevante negli ultimi anni. Sotto sostenibile sviluppo obiettivo 6, 6.1 Target, i governi sono impegnati a regolarmente rapporto qualità batteriologica dell'acqua potabile al livello nazionale4. Oltre a tali sforzi di sorveglianza di sanità pubblica, il monitoraggio operativo di infrastrutture idriche avviene regolarmente al livello locale o regionale5. Questi sorveglianza e campagne di monitoraggio sono spesso in località remote dove l'infrastruttura di laboratorio necessari è inadeguato o non disponibile. 6 allo stesso modo, metodi basati sulla cultura sono ampiamente usati nella diagnosi medica e ricerca microbiologica dove cliniche locali e istituti di ricerca possono essere impugnati da risorse limitate e insicuro per alimentatori7.

Nei contesti sopra, incubatori convenzionali sono spesso insufficienti o non disponibili. In alternativa, incubatori di campo sono stati sviluppati appositamente per l'uso di fuori del laboratorio, per esempio, il Aquatest project8, Università di Bristol, Regno Unito; DelAgua9, Marlborough, Regno Unito; o Aquagenx10, University of North Carolina, Stati Uniti d'America. Tuttavia, questi dispositivi sono relativamente piccoli nel volume, limitando così il numero di campioni che possono essere elaborati contemporaneamente. Incubatori di campo sul mercato non sono anche progettati per funzionare sotto molto bassa (< 20 ° C) o molto alta (> 40 ° C) condizioni di temperatura ambiente, rendendo difficile il loro impiego nel deserto o ambienti alpini. Ulteriori soluzioni alternative includono yogurt-making elettrodomestici11, body Belt e cambiamento di fase incubatori12. Tuttavia, tali incubatori non convenzionali possono essere gravoso per operare11o funzione non fidato.

C'è quindi bisogno di un'incubatrice che offre i vantaggi di modelli basati su laboratorio (facilità d'uso, maggiore volume e precisione di temperatura) pur rimanendo adatto per applicazioni sul campo (basso costo, facilmente trasportata e mantenuto, robustezza a un gamma di temperature ambiente, efficienza energetica e alimentatori resiliente a intermittenza) (tabella 1). Lo scopo del presente protocollo è al dettaglio il processo di fabbricazione di un incubatore di basso costo progettato per ottimizzare i vantaggi dei modelli convenzionali, basati su campo e utilizzando materiale ampiamente disponibile.

CaratteristicaBase di laboratorioCampoOttimizzato
Disegno facile da usarefigure-introduction-1figure-introduction-2figure-introduction-3
Grande capacitàfigure-introduction-4figure-introduction-5figure-introduction-6
Robusto per vasta gamma di temperature ambientefigure-introduction-7figure-introduction-8figure-introduction-9
Mantiene la temperatura costantefigure-introduction-10figure-introduction-11figure-introduction-12
Basso costofigure-introduction-13figure-introduction-14figure-introduction-15
Facilmente trasportabilefigure-introduction-16figure-introduction-17figure-introduction-18
Efficienza energeticafigure-introduction-19figure-introduction-20figure-introduction-21
Alimentazione affidabile a intermittenzafigure-introduction-22figure-introduction-23figure-introduction-24

Tabella 1: Caratteristiche di incubatori commercialmente disponibili (base di laboratorio e sul campo) e l'approccio ottimizzato.

Il seguente protocollo di montaggio specifica i materiali necessari e i passaggi per la costruzione dell'incubatrice. È strutturato in quattro fasi: innanzitutto, assieme all'apparecchio; secondo, montaggio della centralina; terza, Assemblea del nucleo elettrico incubatrice; e quarto, Assemblea dell'incubatore. Questo protocollo spiega la costruzione del nucleo elettronico dell'incubatrice, che può lavorare con una varietà di conchiglie di incubatrice. Vedere la Tabella materiali per una lista completa di tutti i componenti utilizzati nel protocollo e loro specifiche tecniche. Il protocollo qui sotto presenta un esempio funzionale dell'incubatore di campo, ma uso flessibile delle diverse componenti è possibile fintanto che essi soddisfano i requisiti elettrici. Utilizzando diversi componenti potrebbe influenzare le prestazioni dell'incubatore. È consigliabile che la costruzione e il cablaggio dei componenti elettrici essere effettuato da una persona esperta nel campo elettrico.

Protocollo

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

1. riscaldamento unità

  1. Raccogliere i seguenti componenti (Figura 1):
    figure-protocol-1(280 x 250 mm) piastra di supporto con fori di ancoraggio necessari
    figure-protocol-2Ventilatore assiale (60 x 60 x 25 mm); 2 x
    figure-protocol-3Distanziale (lunghezza 20 mm, diametro interno mm 4,25 (M4)); 4 x
    figure-protocol-4Connettori elettrici con tre perni
    figure-protocol-5Dado della vite (M4); 4 x e (M3); 1 x
    figure-protocol-6Rondella (M4); 8 x e (M3); 1 x
    figure-protocol-7Vite (M4); 4 x e (M3); 1 x

figure-protocol-8
Figura 1: Singoli componenti della stufa.  figure-protocol-9 Supporto piatto, figure-protocol-10 ventilatori assiali, figure-protocol-11 distanziali, figure-protocol-12 connettori elettrici, figure-protocol-13 Avvitare dadi, figure-protocol-14 rondelle e figure-protocol-15 viti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Praticare i fori necessari (Figura 2) nella piastra di supporto figure-protocol-16 per garantire i ventilatori assiali figure-protocol-17 così come il terminal di lustro figure-protocol-18 (Figura 1).

figure-protocol-19
Figura 2: schema di funzionamento della piastra di supporto. Indicazioni per praticare i fori di ancoraggio nella piastra di supporto per correggere i ventilatori assiali così come i connettori elettrici. Distanze sono espresse in millimetri. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. I ventilatori assiali di ancoraggio figure-protocol-20 al centro sulla piastra di supporto figure-protocol-21 come mostrato nella Figura 3 con due viti M4, dadi e rondelle figure-protocol-22 , figure-protocol-23 , figure-protocol-24 ogni ventilatore. Utilizzare i distanziatori figure-protocol-25 di lasciare una distanza tra i tifosi e la piastra di supporto (Figura 3).
  2. Ancorare i connettori elettrici figure-protocol-26 alla piastra di supporto figure-protocol-27 utilizzando M3 vite, dado e rondella. Fissare i tifosi di cavo. (Figura 3).
  3. Collegare i cavi della ventola con il terminale di lustro. Collegare i cavi positivi di ogni ventilatore insieme e i cavi negativi di ogni ventilatore insieme (Figura 3). Il sensore di velocità non è necessario.

figure-protocol-28
Figura 3: ventilatori assiali fissato sulla piastra di supporto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Nota: I colori di cavo menzionati corrispondono a quelli utilizzati nelle figure. I colori del cavo potrebbero cambiare a seconda del materiale utilizzato.

2. unità di controllo (alimentazione elettrica)

  1. Raccogliere i seguenti componenti:
    figure-protocol-29Custodia universale (qui 200 x 120 x 60 mm, ma dimensioni dipenderà la dimensione del convertitore DC/DC e il regolatore di temperatura PID)
    figure-protocol-30Interruttore on/off
    figure-protocol-31Convertitore DC/DC, tensione di ingresso gamma 9 - 36V, uscita tensione 12V
    figure-protocol-32Regolatore di temperatura PID, 12-35 V/DC tensione di esercizio
    figure-protocol-33Ghiandola di cavo, M12 x 15 mm, di serraggio compresa tra 2-7,5 mm (o in funzione del cavo utilizzato)
    figure-protocol-34Sensore di temperatura Pt100
    figure-protocol-35Rifornimento di corrente alternata
    Nota: L'incubatrice può essere collegato alla rete elettrica o a una batteria. Nel caso dell'operazione di alimentazione, l'alimentazione elettrica è richiesto e se l'unità è collegata esclusivamente alla rete di alimentazione, il convertitore DC/DC non è obbligatorio. Nel caso di funzionamento a batteria, il convertitore DC/DC è altamente raccomandato, e un cavo a due fili è richiesto invece l'alimentazione elettrica. Questo protocollo presenta la versione con il convertitore DC/DC e l'alimentazione elettrica. Un schema elettrico del nucleo elettrico incubatrice è dettagliata nel materiale supplementare (Figura S1).
  2. Le aperture per il regolatore di temperatura PID, on/off e pressacavi dell'involucro esterno del mulino con un trapano e puzzle o uno strumento equivalente (Figura 4).

figure-protocol-36
Figura 4: diagramma schematico della custodia universale. (a) indicazioni per posizionare il regolatore di temperatura figure-protocol-37 , interruttore on/off figure-protocol-38 e le ghiandole di cavo figure-protocol-39 dell'involucro esterno universale; Distanze sono espresse in millimetri. (b) vista 3D della custodia universale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Collegare il convertitore DC/DC per l'interruttore on/off: collegare il cavo positivo dell'alimentatore AC per l'interruttore on/off e il cavo negativo dell'adattatore di corrente AC per la "-Vin" del convertitore DC/DC (Figura 5).
  2. Utilizzare un cavo per collegare l'interruttore on/off al "+ Vin" del convertitore DC/DC (Figura 5).

figure-protocol-40
Figura 5: montato unità di controllo Custodia universale figure-protocol-41 con convertitore DC/DC figure-protocol-42 collegato al regolatore di temperatura PID figure-protocol-43 e interruttore on/off figure-protocol-44 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Collegare i cavi dall'unità di riscaldamento per il regolatore di temperatura PID come segue (Figura 6):
    1. Collegare il terminale "1" del regolatore di temperatura PID al filo "DC –" dal riscaldamento connessione unità e alla "-Vout" terminale del convertitore DC/DC.
    2. Collegare il "DC +" filo andando all'unità di riscaldamento per il terminale "4" del regolatore di temperatura PID anche per quanto riguarda il terminale "2" del regolatore di temperatura PID (Vedi punto 3.2).
    3. Collegare il terminale "2" del regolatore di temperatura PID al "+ Vout" terminale del convertitore DC/DC.
    4. Collegare il morsetto "5" del regolatore di temperatura PID con il filo di "comando" andando all'unità di riscaldamento. (Vedi punto 3.2).
    5. Collegare il sensore di temperatura ai terminali "10", "11" e "12".
      Nota: Il cavo rosso del sensore di temperatura deve essere collegato al terminale "11" del regolatore di temperatura PID.
  2. Il convertitore DC/DC con nastro di Velcro nella parte inferiore del contenitore di ancoraggio e chiudere la custodia universale.

figure-protocol-45
Figura 6: cavo di collegamento del convertitore DC/DC con regolatore di temperatura PID. Convertitore DC/DC figure-protocol-46 , regolatore di temperatura PID figure-protocol-47 , connessione a connessione per sensore di temperatura (cavo B) e incubatore (cavo A). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Nota: Le funzioni dei terminali di controllore di temperatura PID utilizzati sono indicate nella tabella 2.

Regolatore di temperatura PID terminalFunzione
Terminale "1"Ingresso di alimentazione +
Terminale "2"Ingresso-
Morsetto "4"Controllo uscita contatto comune
Terminale "5"Controllo uscita contatto normalmente aperto

Tabella 2: Funzioni corrispondenti ai morsetti del regolatore di temperatura PID.

3. montaggio del nucleo elettrico incubatrice

  1. Raccogliere i seguenti componenti:
    Unità di riscaldamento dalla sezione 1
    Unità di controllo dalla sezione 2
    figure-protocol-48Riscaldamento foils, autoadesive, 100 x 200 mm, 12 V/20 W, 2 x
  2. Collegare i cavi di collegamento dall'unità di controllo per l'unità di riscaldamento come segue (Figura 7):
    1. Collegare il filo "DC -" dall'unità di controllo con un conduttore di ciascuna delle pellicole riscaldamento e il filo negativo di ogni fan.
    2. Collegare il filo "DC +" proveniente dall'unità di controllo con il cavo positivo di ciascuno dei ventilatori.
    3. Collegare il filo di "comando" dall'unità di controllo per i restanti due conduttori di sventa il riscaldamento.

figure-protocol-49
Figura 7: Collegamento del riscaldamento foils cavo figure-protocol-50 con regolatore di temperatura PID. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Nota: Il campo completato incubatore elettrico del centro dell'incubatore è illustrato nella Figura 8.

figure-protocol-51
Figura 8: Elettrico del centro di campo completo incubatore. Unità di riscaldamento figure-protocol-52 , unità di controllo figure-protocol-53 e sonda di temperatura figure-protocol-54 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

4. montaggio dell'incubatrice

  1. Raccogliere i seguenti componenti:
    Elettrico del centro di incubatore
    Guscio di incubatore (qui un polistirene espanso casella, ma può essere qualsiasi tipo di scatola in materiale isolante)
    Cremagliera di sostegno (qui un metallo rack, ma può essere un altro materiale)
  2. Posizionare i componenti di incubatrice insieme come segue (Figura 9):
    1. Posizionare la shell di incubatore sul suo lato, in modo che l'apertura dell'incubatrice (porta) si trova su un lato.
    2. Posizionare la piastra di supporto con l'unità di riscaldamento nella parte inferiore del guscio incubatrice.
    3. Mettere la griglia di supporto sopra l'unità di riscaldamento, lasciando uno spazio di almeno 10 cm tra l'unità di riscaldamento e il supporto rack.
    4. Posizionare la sonda di temperatura sul supporto rack e fissarlo nell'incubatrice.
  3. Forare la porta dell'incubatrice per consentire l'ingresso dei cavi (Figura 9).
  4. Collegare l'incubatore alla fonte di alimentazione.
  5. Accendere l'incubatore e regolare le impostazioni del regolatore di temperatura PID (Vedi Tabella S1 nel materiale supplementare per impostazioni dettagliate).

figure-protocol-55
Figura 9: incubatore di campo completo. Aperto (a sinistra) e chiuso (a destra). Unità di riscaldamento figure-protocol-56 , scaffale di sostegno figure-protocol-57 , sonda di temperatura figure-protocol-58 , unità di controllo figure-protocol-59 , guscio di incubatore figure-protocol-60 e fori per i cavi in shell incubatore (area cerchiata). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Nota: La shell dell'incubatrice può essere una scatola di qualsiasi tipo di materiale. Si raccomanda di utilizzare un materiale isolante, e che la casella si chiude ermeticamente per evitare la dissipazione del calore. Il rack di supporto deve contenere grandi fori per evitare l'accumulo di calore nel rack, e il materiale può essere di metallo o altri (ad es. plastica).

Risultati

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

L'affidabilità di un incubatore di robusto campo risiede nella sua capacità di raggiungere e mantenere una temperatura impostata in varie condizioni. Per monitorare le prestazioni dei vari allestimenti di incubatrice, sono state fatte le seguenti misurazioni: tempo necessario per raggiungere la temperatura impostata, effetto di aprire la porta per un minuto, assorbimento di corrente di oltre 24 ore di funzionamento, stabilità della temperatura interna oltre 24 ore di funzionamento e l'osservazione della crescita di e. coli . La temperatura all'interno dell'incubatrice è stata misurata ogni minuto con 4 dispositivi di registrazione di temperatura montati in posizioni diverse nella struttura (supporto da parete, parte superiore, all'interno di una piastra di crescita). La temperatura impostata è stata considerata essere raggiunto quando tutte le misurazioni sono state all'interno del più o meno 2 ° C, che è l'intervallo accettabile per l'incubazione di e. coli. 13

Il nucleo elettronico è stato testato con tre tipi di conchiglie, utilizzando materiali che in genere sono presenti in molti paesi: una scatola di polistirolo espanso (78 litri), una dura scatola di plastica più fredda (30 litri) e una scatola di cartone coperto con una coperta di sopravvivenza (46 litri) ( Figura 10). Per coprire una gamma di condizioni ambientali che possono essere sperimentati nel campo, questi allestimenti incubatrice sono stati testati tre temperature ambiente: ambiente (circa 27 ° C), freddo (circa 3,5 ° C e 7,5 ° C) e calda (circa 39 ° C). Misure di performance sono state testate impostazione della temperatura interna a 37 ° C e 44,5 ° C.

Il tempo per raggiungere la temperatura impostata in incubatrici fu influenzato dalla temperatura ambiente e il materiale delle coperture incubatore. Ad una temperatura ambiente di circa 27 ° C, il set-up di tre incubatori ha raggiunto la temperatura impostata (37 ° C e 44,5 ° C) in un momento simile (Vedi figura 11 e Figura 12a) e comparabili con le prestazioni di un incubatore standard (tabella 3). In ambienti freddi (3,5 ° C e 7,5 ° C), le incubatrici con gusci più spessi, cioè, il polistirolo espanso e ghiacciaia, ha raggiunto la temperatura impostata di destinazione (37 ° C e 44,5 ° C) in un momento simile; circa quattro volte più lungo sotto una temperatura ambiente di 27 ° C. Con il suo isolamento inferiore, la scatola di cartone con coperta di sopravvivenza mai completamente raggiunto delle temperature in condizioni di temperatura ambiente fredda (Figura 11b e Figura 12b). In un ambiente caldo (39 ° C), il set-up di tre incubatore ha raggiunto la temperatura target di 44,5 ° C in meno di 10 minuti (Figura 12 c). Tuttavia, quando la temperatura impostata è stata di 37 ° C, cioè, inferiore alla temperatura ambiente, nessuna delle incubatrici potrebbe abbassare la temperatura, con conseguente surriscaldamento per tutti i tre incubator set up (Figura 11 c).

La temperatura ambiente e del tipo di shell incubatore influenzato l'impatto dell'apertura della porta dell'incubatore per un minuto. La perdita di calore è stata maggiore in ambiente freddo, e il tempo per recuperare delle temperature interne era più lungo, con l'eccezione dell'incubatrice di scatola di cartone dove il set le temperature non erano mai raggiunto (Figura 13b e Figura 14b). Negli ambienti più caldi, la perdita di calore era limitata e il set temperature sono state recuperate in meno di 10 minuti (figura 13ac e Figura 14ac). A una temperatura di 39 ° C e temperatura di 37 ° C, aprendo la porta non causa né ridurre il surriscaldamento delle incubatrici (Figura 13C).

Il consumo di energia aumentato con ambienti freddi e con un aumento della temperatura impostata. Meglio isolanti conchiglie incubatore (polistirene espanso e ghiacciaia), ha mostrato un consumo energetico ridotto rispetto l'incubatrice di scatola di cartone. In ambienti simili (temperatura ambiente di circa 27 ° C), l'energia di 0.22 a 0,52 kWh/24h meno tre incubatore allestimenti consumati rispetto le incubatrici standard testati (tabella 3).

La temperatura nell'incubatrice è rimasto stabile oltre 24 ore con tutti i tipi di incubatore conchiglie e temperatura ambiente testato (Figura 13 e Figura 14). Secondo la posizione del dispositivo di registrazione di temperatura nell'incubatrice sono stati osservati lievi variazioni della temperatura misurata rispetto alla temperatura impostata. Fatta eccezione per le prove con la temperatura (39 ° C), più calda che la temperatura impostata (37 ° C) (Figura 13 c), le variazioni nella temperatura erano tutti all'interno della gamma accettabile di 2 ° C per l'incubazione di e. coli .

Tutti i test sono stati eseguiti in presenza di e. coli e coliformi totali misura materiali (filtro a membrana posizionato su piastra di crescita). Repliche di un campione sono stati collocati in ogni set-up incubator e in un incubatore standard per il confronto. In tutti gli allestimenti e le condizioni, la crescita di e. coli e coliformi totali era paragonabile alla crescita osservata nell'incubatore standard e di successo. Un riepilogo delle configurazioni di incubatrice e condizioni di temperatura ambiente testate con risultati sono mostrati nella tabella 3.

Test 1:
Tempo per impostare la temperatura		Prova 2:
Porta laterale un minuto di apertura		Test 3:
Consumo di potenza nel periodo di 24 ore		Test 4:
Variazione di temperatura nel corso del periodo di 24 ore		Test 5:
E. coli crescita osservata
Temperatura ambienteTemperatura impostata(min)Massima perdita di temperatura (° C); tempo per recuperare la temperatura impostata (min)(kWh/24 h)Temperatura massima assoluta (° C); temperatura minima assoluta (° C) *(Sì / No)
Scatola di polistirolo espanso3,5 ° C37 ° C4510 ° C; 17 min0.7837; 35,5Sì
7,5 ° C44,5 ° C7416,5 ° C; 31 min0.8944.5; 42,5ND†
27 ° C37 ° C122,5 ° C; 3 min0.2837.5; 36.5Sì
44,5 ° C204,5 ° C; 7 min0.4344.5; 43,5ND†
39 ° C37 ° C0 (surriscaldamento)2 ° C; 0 min (surriscaldamento)0,1142,5; 42Sì
44,5 ° C73,5 ° C; 5 min0,1745; 43,5ND†
Disco rigido box refrigerante3,5 ° C37 ° C548 ° C; 10 min0.8637.5; 36Sì
7,5 ° C44,5 ° C9612 ° C; 30 min1.0545; 43ND†
27 ° C37 ° C131,5 ° C; 0 min0,2737.5; 36.5Sì
44,5 ° C252 ° C; 4 min0.5045; 43,5ND†
39 ° C37 ° C0 (surriscaldamento)1 ° C; 0 min (surriscaldamento)0,1143; 42,5Sì
44,5 ° C94 ° C; 3 min0,1945,5; 44.5ND†
Scatola di cartone con coperta di sopravvivenza3,5 ° C37 ° CMai raggiunto (temperatura stabile dopo 109 min)6,5 ° C; temperatura stabile dopo 30 min1.2433.5; 30,5Sì
7,5 ° C44,5 ° CMai raggiunto (temperatura stabile dopo 120 min)8 ° C; temperatura stabile dopo 20 min1.2836.5; 32ND†
27 ° C37 ° C152,5 ° C; 6 min0,4236.5; 35,5Sì
44,5 ° C243 ° C; 8 min0.7044.5; 42,5ND†
39 ° C37 ° C0 (surriscaldamento)1,5 ° C; 0 min (surriscaldamento)0,1141,5; 40Sì
44,5 ° C92 ° C; 0 min0.2045; 43,5ND†
Incubatore standard27 ° C37 ° C181 ° C; 0 min (surriscaldamento)0,6438,5; 36ND†
44,5 ° C23 (surriscaldamento)2,5 ° C; 0 min0.9547,5; 43,5ND†

Tabella 3: riepilogo dei risultati per le configurazioni di incubatrice e condizioni di temperatura ambiente testato. * Test 4: Temperature massimale e minimale assolute registrata durante i periodi di stabili, vale a dire, da 10 minuti dopo la fine di un evento dirompente (tempo per raggiungere la temperatura impostata, aprendo la porta). † ND: Nessun dato, non esecuzione del test.

figure-results-1
Figura 10: gusci di incubatore testati. Aprire (riga superiore) e chiuso (riga inferiore). Polistirene espanso box (a sinistra), spessore di 3,5 cm, esterni dimensioni 39 x 56 x 36 cm; plastica dura cooler box (al centro), spessore di 2,5 cm, dimensioni esterne 32 x 41 x 47 cm; scatola di cartone (a destra) coperto con una coperta di sopravvivenza standard di spessore 12 µm piegato due volte, dimensioni esterne 30 x 42 x 37 cm. per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

figure-results-2
Figura 11: tempo per raggiungere la temperatura impostata (37 ° C) delle messe a punto incubatrice in condizioni di temperatura ambiente diversa. Prestazioni di incubatori con un guscio di una scatola di polistirolo espanso, una scatola di fresco rigida e una scatola di cartone coperto con una coperta di sopravvivenza. A camera temperatura ambiente (a), temperatura ambiente fredda (b)e temperatura ambiente caldo (c). Le temperature registrate su supporto rack di incubatrici. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

figure-results-3
Figura 12: tempo per raggiungere la temperatura impostata (44,5 ° C) delle messe a punto incubatrice in condizioni di temperatura ambiente diversa. Prestazioni di incubatori con un guscio di una scatola di polistirolo espanso, una scatola di fresco rigida e una scatola di cartone coperto con una coperta di sopravvivenza. A camera temperatura ambiente (a), temperatura ambiente fredda (b)e temperatura ambiente caldo (c). Le temperature registrate su supporto rack di incubatrici.  Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

figure-results-4
Figura 13: variazioni di temperatura nel periodo di 24 ore e l'effetto di apertura in condizioni di temperatura ambiente diversa della porta. Impostare la temperatura di 37 ° C. Performance di incubatori con un guscio di una scatola di polistirolo espanso, una scatola di fresco rigida e una scatola di cartone coperto con una coperta di sopravvivenza. A camera temperatura ambiente (a), temperatura ambiente fredda (b)e temperatura ambiente caldo (c). Cerchiata aree mostrano le variazioni di temperatura a causa di apertura del portello per un minuto. Le temperature registrate su supporto rack di incubatrici. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

figure-results-5
Figura 14: variazioni di temperatura nel periodo di 24 ore e l'effetto di apertura in condizioni di temperatura ambiente diversa della porta. Impostare la temperatura di 44,5 ° C. Performance di incubatori con un guscio di una scatola di polistirolo espanso, una scatola di fresco rigida e una scatola di cartone coperto con una coperta di sopravvivenza. A camera temperatura ambiente (a), temperatura ambiente fredda (b)e temperatura ambiente caldo (c). Cerchiata aree mostrano le variazioni di temperatura a causa di apertura del portello per un minuto. Le temperature registrate su supporto rack di incubatrici. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

figure-results-6
S1 figura: schema elettrico del cablaggio elettrico del centro incubatore. Alternative per funzionamento a rete e funzionamento a batteria sono indicate. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

ParametroValore selezionato
1Tipo di uscita di controlloControllare Q1 / Q2 di allarme
2Tipo di sensore collegatoPT100 (da -200 a 140 ° C)
3Limite inferiore selezionabile per valore di setpoint0
4Limite superiore selezionabile per valore di setpoint50
5Tipo di controlloRiscaldamento
6ON/OFF isteresi o banda morta per controllo p.i.d.0
7Larghezza di banda proporzionale espressa come unità di processo (° C se temperatura)1
8Tempo integrale. Inerzia del processo espresso in secondi80.0
9Tempo derivativo per p.i.d.20.0
10Tempo di ciclo per l'uscita tempo di dosaggio10
11Consentire/negare modifica dei valori di setpoint da tastiera frontaleConsentire la modifica di tutti i setpoint
12Software di filtro. Numero di letture per calcolare il confronto del valore PV-SPV10
13Tipo di laurea° C
14Tipo di liquido di raffreddamentoAria

Tabella S1: Impostazioni controller di temperatura PID. Visualizzazione dei valori impostati; altri parametri non necessari per l'esecuzione dell'incubatore sono stati lasciati ai valori predefiniti.

Discussione

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Sotto sostenibile sviluppo obiettivo 6.1, la domanda di campione di qualità dell'acqua è in aumento, soprattutto in aree rurali remote dove le pratiche di monitoraggio sono meno stabilito14. Degli ostacoli principali all'implementazione di test in queste impostazioni di qualità di acqua normale è scarso accesso ai laboratori in grado di supportare metodi microbici6. Questo articolo presenta un metodo per un incubatore affidabile costruito da materiali che sono relativamente economici e ampiamente disponibili. I componenti elettrici sono relativamente facili da fonte e assemblare, che richiedono solo limitata competenza. Inoltre, il design a conchiglia incubatrice è flessibile e può pertanto essere costruito da materiali localmente disponibili. Questo è particolarmente utile per coloro che viaggiano a postazioni remote, poiché spazio per i bagagli non è necessaria per una shell pesante e ingombrante. A seconda della shell utilizzata, il volume dell'incubatore è anche adattabile e può essere dimensionato per ospitare una dimensione specifica del campione. Il set-up presentato può essere usato su - e fuori-griglia, che lo rende resistente a tagli di potenza o assenza di alimentazione elettrica affidabile. Mentre determinate limitazioni di progettazione sono stati osservati, questo set-up up generalmente dimostrato di essere efficace in una gamma di condizioni di temperatura ambiente (3,5 ° C a 39 ° C).

Ci sono diversi passaggi nel protocollo che sono fondamentali per realizzare un disegno di incubatrice adatto ai propri bisogni. La prima è la selezione dei componenti elettrici dell'incubatore. Componenti alternativi possono essere scelti sulla base del prezzo o la disponibilità locale. A seconda del materiale selezionato e loro caratteristiche tecniche, l'incubatrice può aver alterato performance rispetto ai risultati presentati. Un altro passo fondamentale nel protocollo è la scelta di materiale di shell, che dovrebbe essere basato sull'intervallo previsto di temperature ambiente, alimentazione locale e disponibilità di materiali. A temperature ambiente inferiori (< 25 ° C), un guscio costituito da polistirene espanso o una scatola di fresco rigida è consigliata per raggiungere una temperatura di 37 ° C a 44,5 ° C. Basato sui dati sperimentali presentati, questi set ups può essere previsto per raggiungere la temperatura impostata in 45-96 minuti e consumare 0.78 - 1.05 kWh/24h in ambienti freddi (3.5 a 7.5 ° C). La scatola di cartone con coperta di sopravvivenza non è raccomandata per l'uso a temperature ambiente inferiori poiché questo impostato mai raggiunto che una stabile impostata temperatura durante il periodo di osservazione sperimentale. A temperatura moderata (27 ° C) i tipi di shell testato sono accettabili, con simile a leggermente maggiore consumo di energia osservata per il cofanetto cartone fino. A temperature ambiente più elevate (39 ° C), i disegni di incubatore qui presentati erano inclini a surriscaldamento se a meno che la temperatura era ancora più alto (cioè, 44,5 ° C). Di conseguenza, tali condizioni sarebbero richiedono un dispositivo di raffreddamento o utilizzare in uno spazio climatizzato.

Il costo di costruzione l'incubatrice qui presentato è stato circa 300 USD quando i materiali sono stati acquistati in Svizzera. Tuttavia, questi costi possono essere notevolmente inferiori in posizioni diverse, soprattutto se le spese per i componenti elettronici principali di spedizione possono essere ridotti al minimo. Modifica dei vari componenti descritti nel protocollo può ridurre ulteriormente i costi. Il protocollo presentato qui è limitato in quanto si confronta solo tre tipi di materiale di shell a due temperature impostate, come pure la verifica della crescita microbica solo per e. coli . La ricerca futura dovrebbe verificare l'idoneità di questo disegno di incubatrice sotto una maggior gamma di parametri di temperatura e utilizzando ulteriore indicatore microbica specie (ad es., Enterococcus) e patogeni (ad es., salmonella, Vibrio cholerae). La ricerca futura dovrebbe anche concentrarsi sullo sviluppo di efficaci tecniche di raffreddamento all'interno dell'incubatore, che consentirebbe l'utilizzo in ambienti estremamente caldi (> 40 ° C).

A nostra conoscenza, non esiste nessun altro incubatore di campo noto che offre capacità di volume adattabile ed è facilmente smontabile, pur rimanendo trasportabili e basso costo. Questa innovativa alternativa agli incubatori commercialmente disponibili soddisfa un bisogno per i governi e le organizzazioni con altri obiettivi di test basati su cultura dove sono disponibili alcune strutture di laboratorio e qualità dell'acqua. Quando accoppiato con qualità d'acqua semplice apparecchiatura di collaudo, questa incubatrice può aiutare gli operatori con capacità limitate per creare laboratori permanenti o stagionali ad un costo ragionevole. Aumentando il numero di laboratori in aree remote, gli sforzi per realizzare una sorveglianza regolare dell'acqua qualità o raggiungere puntuale monitoraggio delle operazioni di sistema diventerà sempre più fattibili.

Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

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Questa ricerca è stata sostenuta dall'Agenzia Svizzera per la cooperazione allo sviluppo e il programma REACH finanziato dalla UK aiuti dal Ministero britannico per lo sviluppo internazionale (DFID) a beneficio dei paesi in via di sviluppo (Ariete codice 201880). Le opinioni espresse e le informazioni in esso contenute non sono necessariamente quelli di o avallato da queste agenzie, che non possono accettare alcuna responsabilità per tali opinioni o informazioni o per qualsiasi affidamento posizionato su di loro. Gli autori ringraziano anche Arnt Diener per i suoi contributi a prime iterazioni del prototipo di incubatore di polistirolo espanso.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Lamina riscaldanteThermo2115337Autoadesiva 10x20 cm; Tensione di esercizio 12V; Potenza 20W
Ventilatore assialeYen Sun Technology Corp.FD126025MB6x6x2,5 cm; Tensione di esercizio 12VDC; Potenza 1,44 W; Corrente assorbita max. 60mA
Regolatore di temperatura PIDWachendorff Automation GmbH & Co. KGUR3274SRegolatore PID 32x74 mm; Ingresso universale per segnali di processo, termocoppie, Pt100; Tensione di esercizio 24 VDC; Uscite (termostati) relè 10 A, relè 5 A, SSR, RS 485
Sensore di temperatura Pt100Conrad198466Campo di temperatura -100° C a 200 gradi C; Sensore Pt100, tipo FS-400P
Custodia universaleOKW Gehä utilizzare SistemaC2012201Dimensioni 200 x 120 x 60 mm
Convertitore CC/CCTraco PowerTMDC 60-2412Tensione nominale 24 VDC; Tensione di ingresso 9-36 VDC; Tensione di uscita 12 VDC; Corrente di uscita max. 5 A; Alimentazione 60W
Adattatore di alimentazione CABicker ElektronikBET-0612Tensione di uscita 12 VDC; Corrente di uscita massima 5 A; Tensione di ingresso 115-230 VAC
DistanziatoreSchä fer Elektromechanik20/4Senza filettatura; Dimensione filettatura M4; Polistirene; Distanza 20 mm
PressacavoWISKA10066410M12 x 1,5 cm; campo di serraggio 3 – 7 mm
Terminale LusterAdels Contact125312Corrente nominale 25 A; Tensione nominale 500 V
Vite M4 x 50Bossard1579010M4 x 50 mm
Dado a vite M4Bossard1241478M4
Bossard1887505M4
Vite M3 x 25Bossard1211099M3 x 25 mm
Dado a vite M3Bossard1241443
Rondella M3Bossard1887483M3
Piastra di supporto -  - Materiale isolante (plastica o altro); 28 x 25 cm
Rondella

Riferimenti

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