Methodenartikel

Bouw van een lage-kosten mobiele Incubator voor veld en het laboratoriumgebruik

15.6K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/58443

⸱

19 maart 2019

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

In dit artikel

Samenvatting

Dit document beschrijft een methode voor het bouwen van een flexibele, voordelige en vervoerbare incubator voor microbiële testen van drinkwater. Ons ontwerp is gebaseerd op algemeen beschikbare materialen en kan opereren onder een aantal veldomstandigheden, terwijl nog steeds bieden de voordelen van hoger-end laboratorium-gebaseerde modellen.

Samenvatting

Incubators zijn essentieel voor een scala aan cultuur gebaseerde microbiële methoden, zoals Membraanfiltratie gevolgd door teelt voor de beoordeling van de kwaliteit van het drinkwater. Verkrijgbare incubators zijn echter vaak dure, moeilijk te transporteren, niet flexibel in termen van volume, en/of slecht aangepast aan de lokale veldomstandigheden waar toegang tot elektriciteit is onbetrouwbaar. Het doel van deze studie was het ontwikkelen van een flexibele, voordelige en vervoerbare incubator die kan worden geconstrueerd met behulp van gemakkelijk beschikbare componenten. De elektronische kern van de incubator voor het eerst werd ontwikkeld. Deze onderdelen werden vervolgens getest onder een bereik van 3,5 ° C - 39 ° C omgevingstemperatuur voorwaarden met behulp van drie soorten incubator schelpen (piepschuim vak, harde koeler vak en kartonnen doos bedekt met een deken overleven). De elektronische kern toonde vergelijkbare prestaties aan een standaard laboratorium incubator in termen van de benodigde tijd voor het bereiken van de ingestelde temperatuur, innerlijke temperatuur stabiliteit en ruimtelijke spreiding, stroomverbruik en microbiële groei. De incubator set-ups waren ook effectief bij matige en lage omgevingstemperaturen (tussen 3,5 ° C en 27 ° C), en bij hoge temperaturen (39 ° C) wanneer de incubator ingesteld temperatuur hoger was. Dit prototype incubator is goedkope (< 300 USD) en aan te passen aan een verscheidenheid van materialen en volumes. De afneembare structuur maakt het makkelijk te vervoeren. Het kan worden gebruikt in zowel gevestigde laboratoria met raster macht of in de instellingen van de externe aangedreven door zonne-energie of een auto-accu. Het is vooral handig als een optie van de apparatuur voor veld laboratoria in gebieden met beperkte toegang tot bronnen voor waterkwaliteit monitoring.

Inleiding

Cultuur gebaseerde methoden voor het opsporen van microbiële verontreinigingen zijn de state-of-the-art voor analyse van de kwaliteit van het water in zowel geïndustrialiseerde en ontwikkelingslanden1,2. Micro-organismen bestaan in veel omgevingen en vereisen verschillende temperatuurvoorwaarden voor een optimale groei. Creëren van een omgeving van temperatuur-stable incubatie is dus een voorwaarde voor het betrouwbare opsporen van microbiële verontreinigingen van zorg in drinkwater. Volgens de World Health Organization zijn Escherichia coli (E. coli) (of als alternatief, thermotolerant coliforme bacteriën (TTC)) de meest geschikte indicatoren van fecale besmetting in drinkwater3. Detectie van deze organismen bestaat uit, bijvoorbeeld een steekproef van 100 mL water via een membraan gevolgd door incubatie van het membraan op selectieve media bij 35-37 ° C (E. coli) of 44-45 ° C (TTC)3filteren.

Veld gebaseerde toepassingen van cultuur gebaseerde methoden zijn geworden in de afgelopen jaren steeds relevanter. Onder duurzame ontwikkeling doel 6, Target 6.1, hebben regeringen ertoe verplicht regelmatig verslag bacteriologische kwaliteit van het drinkwater in het nationale niveau4. Naast dergelijke volksgezondheid toezicht inspanningen, wordt operationele monitoring van waterinfrastructuur regelmatig uitgevoerd op de lokale of regionale niveau5. Deze surveillance en toezicht campagnes zijn vaak op externe locaties waar de vereiste laboratorium infrastructuur onvoldoende of niet beschikbaar is is. 6 ook cultuur gebaseerde methoden worden veel gebruikt in de medische diagnose en microbiologisch onderzoek waar lokale klinieken en onderzoeksinstellingen kunnen worden aangevochten door beperkte middelen en onzeker voedingen7.

In de bovenstaande contexten zijn conventionele incubators vaak onvoldoende of niet beschikbaar is. Als alternatief, zijn veld incubators specifiek ontwikkeld voor gebruik buiten het laboratorium, bijvoorbeeld de Aquatest project8, Universiteit van Bristol, Verenigd Koninkrijk; DelAgua9, Marlborough, Verenigd Koninkrijk; of Aquagenx10, University of North Carolina, Verenigde Staten. Deze apparaten zijn echter relatief klein in volume, dus het beperken van het aantal monsters dat tegelijkertijd kan worden verwerkt. Veld starterscentra op de markt zijn ook niet ontworpen om te werken onder zeer laag (< 20 ° C) of zeer hoog (> 40 ° C) omgevingstemperatuur voorwaarden, waardoor het gebruik ervan in de woestijn of alpine omgeving moeilijk. Verdere omvatten alternatieve oplossingen yoghurt maken toestellen11, lichaam gordels en fase-change starterscentra12. Dergelijke onconventionele starterscentra kunnen echter functioneren žbehoefteâ of belastend werken11.

Er is dus behoefte aan een incubator dat de voordelen van laboratorium-gebaseerde modellen (gebruiksgemak, groter volume, en temperatuur precisie biedt) terwijl de resterende geschikt voor veld toepassingen (goedkope, gemakkelijk vervoerd en onderhouden, bestandheid tegen een bereik van omgevingstemperatuur kunnen worden bewaard, energiezuinig en veerkrachtig te intermitterende voedingen) (tabel 1). Het doel van dit protocol is voor detail van het fabricageproces van een goedkope incubator ontworpen voor het optimaliseren van de voordelen van zowel conventionele als veld gebaseerde modellen met behulp van algemeen beschikbare materiaal.

KarakteristiekLaboratorium gebaseerdeVeldGeoptimaliseerd
Gebruiker gebruiksvriendelijk ontwerpfigure-introduction-1figure-introduction-2figure-introduction-3
Grote capaciteitfigure-introduction-4figure-introduction-5figure-introduction-6
Solide blijkt in een breed scala aan omgevingstemperaturenfigure-introduction-7figure-introduction-8figure-introduction-9
Onderhoudt constante temperatuurfigure-introduction-10figure-introduction-11figure-introduction-12
Lage kostenfigure-introduction-13figure-introduction-14figure-introduction-15
Gemakkelijk vervoerdfigure-introduction-16figure-introduction-17figure-introduction-18
Energie-efficiëntefigure-introduction-19figure-introduction-20figure-introduction-21
Veerkrachtig aan intermitterende voedingfigure-introduction-22figure-introduction-23figure-introduction-24

Tabel 1: Kenmerken van verkrijgbare starterscentra (op basis van laboratorium en veld) en de geoptimaliseerde aanpak.

De volgende vergadering-protocol geeft de benodigde materialen en de stappen voor het bouwen van de incubator. Het is gestructureerd in vier stappen: ten eerste, de vergadering van de verwarming eenheid; tweede vergadering van de controle-eenheid; derde vergadering van de incubator elektrische kern; en de vierde vergadering van de incubator. Dit protocol legt de bouw van de elektronische kern van de incubator, die met een verscheidenheid van incubator schelpen werken kan. Zie de Tabel van materialen voor een volledige lijst van alle onderdelen die worden gebruikt in het Protocol en hun technische specificaties. Het protocol hieronder presenteert een functionele voorbeeld van het veld incubator, maar flexibel gebruik van de verschillende onderdelen is mogelijk, zolang ze voldoen aan de elektrische eisen. Met behulp van verschillende componenten invloed kan zijn op de prestaties van de incubator. Het is aangeraden dat de opbouw en bedrading van elektrische componenten worden gedaan door een deskundige in het elektrische veld.

Protocol

1. Verwarming eenheid

  1. Verzamel de volgende onderdelen (Figuur 1):
    figure-protocol-1Plaat (280 x 250 mm) ondersteuning vereist anchorage rijggat
    figure-protocol-2Axiaal ventilator (60 x 60 x 25 mm); 2 x
    figure-protocol-3Spacer (lengte 20 mm, binnendiameter 4,25 mm (M4)); 4 x
    figure-protocol-4Luster terminal met drie pinnen
    figure-protocol-5Schroef moer (M4); 4 x en (M3); 1 x
    figure-protocol-6Wasmachine (M4); 8 x en (M3); 1 x
    figure-protocol-7Schroef (M4); 4 x en (M3); 1 x

figure-protocol-8
Figuur 1: Individuele componenten van de verwarming eenheid.  figure-protocol-9 Ondersteuning van de plaat, figure-protocol-10 Axiaalventilatoren, figure-protocol-11 spacers, figure-protocol-12 luster terminal, figure-protocol-13 schroef noten, figure-protocol-14 ringen en figure-protocol-15 schroeven. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. Boorgaten de vereiste (Figuur 2) in de steun plaat figure-protocol-16 teneinde de Axiaalventilatoren figure-protocol-17 evenals de glans-terminal figure-protocol-18 (Figuur 1).

figure-protocol-19
Figuur 2: Schematisch diagram van de steun plaat. Aanwijzingen naar de ankerplaats boorgaten in de steun plaat vast de Axiaalventilatoren evenals de glans terminal te. Afstanden zijn gegeven in millimeters. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. De Axiaalventilatoren anker figure-protocol-20 in het midden op de steun plaat figure-protocol-21 zoals afgebeeld in Figuur 3 met twee M4 schroeven, schroef, moeren en sluitringen figure-protocol-22 , figure-protocol-23 , figure-protocol-24 per fan. De afstandhouders gebruiken figure-protocol-25 te verlaten van een afstand tussen de fans en de steun plaat (Figuur 3).
  2. Verankeren van de glans-terminal figure-protocol-26 om de steun plaat figure-protocol-27 met behulp van M3 schroef schroef moer en ring. Beveilig de kabel fans. (Figuur 3).
  3. Sluit de kabels van de ventilator met de glans terminal. Sluit de positieve kabels van elke fan samen en de negatieve kabels van elke fan samen (Figuur 3). De snelheidssensor is niet vereist.

figure-protocol-28
Figuur 3: Axiaalventilatoren gefixeerd op steun plaat. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Opmerking: De kabel kleuren vermeld overeen met degene die gebruikt zijn in de cijfers. De kabel kleuren kunnen veranderen afhankelijk van het gebruikte materiaal.

2. de controle Unit (voeding)

  1. Verzamel de volgende onderdelen:
    figure-protocol-29Universele behuizing (hier 200 x 120 x 60 mm, maar de afmetingen zal afhangen van de grootte van de DC/DC-converter en de PID temperatuurregelaar)
    figure-protocol-30Aan/uit-schakelaar
    figure-protocol-31DC/DC converter, ingangsspanning bereik 9 - 36V, uitgangsspanning 12V
    figure-protocol-32PID temperatuurregelaar, 12-35 V/DC bedrijfsspanning
    figure-protocol-33Wartel, M12 x 15 mm, klemmen bereik 2-7,5 mm (of volgens de gebruikte kabel)
    figure-protocol-34Temperatuursensor Pt100
    figure-protocol-35AC-voeding
    Opmerking: De incubator kan worden aangesloten op de macht van de netvoeding of op een batterij. In het geval van het lichtnet-operatie, de netvoeding vereist is en als het apparaat uitsluitend op lichtnet is aangesloten, de DC/DC-converter is niet verplicht. In het geval van de werking van de batterij, de DC/DC-converter is een aanrader, en een twee-draads kabel is vereist in plaats van de AC-voeding. Dit protocol stelt de versie met de DC/DC-converter en de netvoeding. Een elektrisch schema van de incubator elektrische kern wordt gedetailleerd beschreven in het aanvullend materiaal (figuur S1).
  2. Molen de openingen voor de PID temperatuurregelaar, aan/uit schakelaar en wartels in de behuizing met een boor en decoupeerzaag of een gelijkwaardig instrument (Figuur 4).

figure-protocol-36
Figuur 4: schema van de universele behuizing. (a) aanwijzingen te plaatsen van de temperatuur controller figure-protocol-37 , aan/uit schakelaar figure-protocol-38 en de wartels figure-protocol-39 in de universele behuizing; afstanden zijn gegeven in millimeters. (b) 3D-weergave van de universele behuizing. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. Sluit de DC/DC Converter aan op de aan/uitschakelaar: de positieve kabel van de AC voedingsadapter verbinden met de aan/uitschakelaar en de negatieve kabel van de AC voedingsadapter aan de "-Vin" van de DC/DC converter (Figuur 5).
  2. Gebruik een kabel om de aan/uit-schakelaar op de "+ Vin" voor de DC/DC converter (Figuur 5).

figure-protocol-40
Figuur 5: gemonteerd controle apparaat Universele behuizing figure-protocol-41 met DC/DC converter figure-protocol-42 aangesloten op PID temperatuur controller figure-protocol-43 en aan/uit schakelaar figure-protocol-44 . Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. Sluit de kabels van de verwarming van de eenheid aan de PID temperatuurregelaar als volgt (Figuur 6):
    1. Sluit de terminal "1" van de PID temperatuurregelaar op de draad "DC-" van de verwarming luchtbehandelingsgroep en de "-Vout" terminal van de DC/DC-converter.
    2. Verbinding maken met de "DC +" draad gaat naar de verwarming-eenheid naar de terminal "4" van de PID temperatuurregelaar alsmede over de terminal "2" van de PID temperatuurregelaar (zie punt 3.2).
    3. Sluit de terminal "2" van de PID temperatuurregelaar op de "+ Vout" terminal van de DC/DC-converter.
    4. Verbind de terminal "5" van de PID temperatuurregelaar met de "opdracht" draad gaat naar de verwarming eenheid. (zie punt 3.2).
    5. De temperatuursensor sluit aan op de klemmen "10", "11" en "12".
      Opmerking: De rode draad van de temperatuursensor moet worden aangesloten op terminal "11" van de PID temperatuurregelaar.
  2. Verankeren van de DC/DC-converter met Velcro tape aan de onderkant van de behuizing en sluit de universele behuizing.

figure-protocol-45
Figuur 6: kabel-verbinding van DC/DC converter met PID temperatuurregelaar. DC/DC converter figure-protocol-46 , PID temperatuurregelaar figure-protocol-47 , verbinding met Incubator (kabel A) en verbinding met temperatuursensor (kabel B). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Opmerking: De functies van de PID temperatuur controller terminals gebruikt zijn gegeven in tabel 2.

PID temperatuurregelaar terminalFunctie
Terminal "1"Leveren van input +
Terminal "2"Levering invoer-
Terminal '4'Controle Output gemeenschappelijk Contact
Terminal "5"Controle Output normaal Open Contact

Tabel 2: Functies overeenkomt met de PID temperatuur controller terminals.

3. assemblage van de Incubator elektrische kern

  1. Verzamel de volgende onderdelen:
    Verwarming eenheid van sectie 1
    Controle-eenheid van sectie 2
    figure-protocol-48Verwarming folie, zelfklevend, 100 x 200 mm, 12 V/20 W, 2 x
  2. De aansluitkabels van de regelaar aan de eenheid van de verwarming als volgt (Figuur 7) link:
    1. Sluit de draad "DC -" van de controle-eenheid met een dirigent van elk van de verwarming folies en de negatieve draad van elke ventilator.
    2. Sluit de draad "DC +" afkomstig van de controle-eenheid met de positieve kabel van elke fan.
    3. Sluit de draad van 'opdracht' van de regelaar aan de resterende twee dirigenten van de verwarming folies.

figure-protocol-49
Figuur 7: Kabel aansluiting van verwarming folies figure-protocol-50 met PID temperatuurregelaar. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Opmerking: De voltooide veld incubator elektrische kern van de incubator is weergegeven in Figuur 8.

figure-protocol-51
Figuur 8: Veld voltooid incubator elektrische kern. Verwarming eenheid figure-protocol-52 , controle-eenheid figure-protocol-53 en temperatuursonde figure-protocol-54 . Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

4. vergadering van de Incubator

  1. Verzamel de volgende onderdelen:
    Incubator elektrische kern
    Incubator shell (hier een polystyreen schuim doos, maar kan elk type vak bestaan uit isolerend materiaal)
    Ondersteuning van rack (hier een metalen rek, maar kan een ander materiaal)
  2. Plaats de incubator componenten samen als volgt (Figuur 9):
    1. Plaats de incubator shell op zijn kant, zodat de opening van de incubator (deur) is gelegen aan een kant.
    2. Plaats de plaat van de steun met de verwarming van de eenheid aan de onderkant van de incubator shell.
    3. Plaats het rek van de steun op de top van de verwarming eenheid, verlaten van een ruimte van minimaal 10 cm tussen de eenheid van de verwarming en de steun rek.
    4. Plaats de temperatuurvoeler op het rek ondersteuning en veilig in de incubator.
  3. Boor gaten in de deur van de incubator te voorzien van de vermelding van de kabels (Figuur 9).
  4. De incubator verbinden met de krachtbron.
  5. De incubator inschakelen en aanpassen van de instellingen van de PID temperatuurregelaar (Zie Tabel S1 in de aanvullend materiaal voor gedetailleerde instellingen).

figure-protocol-55
Figuur 9: het veld voltooid incubator. Open (links) en gesloten (rechts). Verwarming eenheid figure-protocol-56 , ondersteuning van rek figure-protocol-57 , temperatuurvoeler figure-protocol-58 , controle-eenheid figure-protocol-59 , incubator shell figure-protocol-60 en gaten voor kabels in de incubator shell (omcirkelde gebied). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Opmerking: De schelp van de incubator kunnen een doos van elk soort materiaal. Het is aanbevolen om een isolerende materiaal te gebruiken, en waarmee het vak wordt strak gesloten om te voorkomen dat dissipatie van de warmte. Het rack steun moet bevatten grote gaten om te voorkomen dat de accumulatie van warmte in het rack kan, en het materiaal metaal of andere (bijvoorbeeld plastic).

Resultaten

De betrouwbaarheid van een robuuste veld incubator ligt in zijn vermogen te bereiken en handhaven van een ingestelde temperatuur onder verschillende omstandigheden. Voor het controleren van de prestaties van de verschillende incubator set-ups, werden de volgende metingen verricht: benodigde tijd voor het bereiken van de ingestelde temperatuur, effect van het openen van de deur voor een minuut, het stroomverbruik gedurende 24 uur werking, innerlijke temperatuur stabiliteit meer dan 24 openingstijden, en waarneming van E. coli groei. De temperatuur in de couveuse werd elke minuut gemeten met 4 temperatuur registratie apparaten in verschillende posities in de structuur (ondersteuning rek, muur, boven, binnen een groeischijf) geplaatst. De ingestelde temperatuur werd geacht worden bereikt wanneer alle metingen plus in PerfectSuite Plus of min 2 ° C waren, oftewel het acceptabele bereik voor de incubatie van E. coli. 13

De elektronische kern werd getest met drie soorten schelpen, met behulp van materialen die meestal te in veel landen vinden zijn: een polystyreen doos (78 liter), een harde plastic koeler doos (30 liter) en een kartonnen doos bedekt met een deken van de overleving (46 liter) ( Figuur 10). Ter dekking van een aantal omgevingsomstandigheden die kan worden ervaren in het veld, werden deze incubator set-ups getest bij drie omgevingstemperaturen: ambient (ongeveer 27 ° C), koude (ongeveer 3,5 ° C en 7,5 ° C) en hete (ongeveer 39 ° C). Prestatiemaatstaven werden getest met het instellen van de binnenste temperatuur bij 37 ° C en 44,5 ° C.

De tijd om het bereiken van de ingestelde temperatuur in de incubators werd beïnvloed door de omgevingstemperatuur en het materiaal van de incubator shell. Bij een omgevingstemperatuur van ongeveer 27 ° C, de drie starterscentra set-ups bereikt de ingestelde temperaturen (37 ° C en 44,5 ° C) in dezelfde tijd (Figuur 11 en figuur 12a) en vergelijkbaar met de prestaties van een standaard incubator (tabel 3). In koude omgevingen (3,5 ° C en 7,5 ° C) bereikte de incubators met dikkere shells, dat wil zeggen, de piepschuim en koeler vak het doel ingestelde temperaturen (37 ° C en 44,5 ° C) in een soortgelijke tijd; ongeveer vier keer langer dan onder een omgevingstemperatuur van 27 ° C. Met de lagere isolatie bereikt de kartonnen doos met overleving deken nooit volledig de ingestelde temperaturen onder omstandigheden van de koude omgevingstemperatuur (Figuur 11 en figuur 12b). In een warme omgeving (39 ° C) bereikt de drie incubator set-ups de temperatuur van de doelstelling van 44,5 ° C in minder dan 10 minuten (Figuur 12 c). Echter, toen de ingestelde temperatuur van 37 ° C, dat wil zeggen, lager dan de omgevingstemperatuur, geen van de incubators kon de gemoederen, wat resulteert in oververhitting voor alle drie incubator set ups (Figuur 11 c).

De omgevingstemperatuur en de soort incubator shell beïnvloed het effect van het openen van de deur van de incubator voor één minuut. Het warmteverlies was groter in de koude omgeving, en de tijd om te herstellen van de innerlijke ingestelde temperaturen was langer, met uitzondering van de incubator van de kartonnen doos waar de set temperaturen nooit waren bereikt (figuur 13b en figuur 14b). In de warmere omgevingen was het warmteverlies limited en de set temperaturen werden teruggevonden in minder dan 10 minuten (Figuur 13 bisc en Figuur 14 bisc). In een omgevingstemperatuur van 39 ° C en ingestelde temperatuur van 37 ° C, de deur open niet veroorzaken of verminderen oververhitting van de incubators (Figuur 13 c).

De power consumption toegenomen met koude omgevingen en met een toename van de ingestelde temperatuur. Beter isolerende incubator schelpen (piepschuim en koeler vak) toonde een lagere machtsconsumptie in vergelijking tot de kartonnen doos incubator. In soortgelijke milieus (omgevingstemperatuur van ongeveer 27 ° C), de drie incubator set-ups verbruikt 0.22 tot 0.52 kWh / 24h minder energie dan de standaard incubators getest (tabel 3).

De temperatuur in de incubator stabiel op meer dan 24 uur met alle soorten incubator schelpen en omgevingstemperatuur getest (Figuur 13 en Figuur 14). Lichte variaties van de gemeten temperatuur in vergelijking met de ingestelde temperatuur werden waargenomen volgens de positie van de temperatuur houtkap apparaat in de incubator. Met uitzondering van de proeven met de omgevingstemperatuur (39 ° C) warmer dan de ingestelde temperatuur (37 ° C) (Figuur 13 c) waren de variaties in temperatuur allemaal binnen het acceptabele bereik van 2 ° C voor E. coli incubatie.

Alle tests werden uitgevoerd in het bijzijn van E. coli en totale colibacteriën meting materialen (membraanfilter geplaatst op groeischijf). Wordt gerepliceerd van een monster werden geplaatst in elke set-up incubator en een standaard incubator voor vergelijking. In alle opstellingen en voorwaarden was de groei van E. coli en totale colibacteriën succesvol en vergelijkbaar met de groei die is waargenomen in de standaard incubator. Een samenvatting van de configuraties van de incubator en omgevingstemperatuur voorwaarden getest met resultaten worden weergegeven in tabel 3.

Test 1:
Tijd om de temperatuur instellen		Test 2:
ZIJDEUR openen van één minuut		Test 3:
Stroomverbruik kan worden verlaagd over een periode van 24 uur		Test 4:
Temperatuur variatie in de periode van 24 uur		Test 5:
Groei van E. coli
OmgevingstemperatuurIngestelde temperatuur(min)Maximale verlies van temperatuur (° C); tijd om te herstellen van de ingestelde temperatuur (min)(kWh/24 h)Absolute maximale temperatuur (° C); absoluut minimale temperatuur (° C) *(Ja / Nee)
Polystyreenschuim vak3,5 ° C37 ° C4510 ° C; 17 min0.7837; 35,5Ja
7.5 ° C44,5 ° C7416,5 ° C; 31 min0,8944,5; 42,5ND†
27 ° C37 ° C122,5 ° C; 3 min0.2837,5; 36,5Ja
44,5 ° C204,5 ° C; 7 min0,4344,5; 43,5ND†
39 ° C37 ° C0 (oververhit)2 ° C; 0 min (oververhit)0.1142,5; 42Ja
44,5 ° C73,5 ° C; 5 min0,1745; 43,5ND†
Harde koeler vak3,5 ° C37 ° C548 ° C; 10 min0.8637,5; 36Ja
7.5 ° C44,5 ° C9612 ° C; 30 min1.0545; 43ND†
27 ° C37 ° C131,5 ° C; 0 min0.2737,5; 36,5Ja
44,5 ° C252 ° C; 4 min0.5045; 43,5ND†
39 ° C37 ° C0 (oververhit)1 ° C; 0 min (oververhit)0.1143; 42,5Ja
44,5 ° C94 ° C; 3 min0.1945.5; 44,5ND†
Kartonnen doos met overleving deken3,5 ° C37 ° CNooit bereikt (stabiele temperatuur na 109 min)6,5 ° C; stabiele temperatuur na 30 min1.2433,5; 30,5Ja
7.5 ° C44,5 ° CNooit bereikt (stabiele temperatuur na 120 min)8 ° C; stabiele temperatuur na 20 min1.2836,5; 32ND†
27 ° C37 ° C152,5 ° C; 6 min0,4236,5; 35,5Ja
44,5 ° C243 ° C; 8 min0.7044,5; 42,5ND†
39 ° C37 ° C0 (oververhit)1,5 ° C; 0 min (oververhit)0.1141,5; 40Ja
44,5 ° C92 ° C; 0 min0.2045; 43,5ND†
Standaard incubator27 ° C37 ° C181 ° C; 0 min (oververhit)0.6438,5; 36ND†
44,5 ° C23 (oververhit)2,5 ° C; 0 min0.9547,5; 43,5ND†

Tabel 3: samenvatting van de resultaten voor de incubator configuraties en de omgevingstemperatuur voorwaarden getest. * Test 4: Absolute maximale en minimale temperatuur geregistreerd perioden stabiele, dat wil zeggen, van 10 minuten na het einde van een ontwrichtende evenement (tijd om te bereiken van de ingestelde temperatuur, openen van de deur). † ND: Geen gegevens, test niet uitgevoerd.

figure-results-1
Figuur 10: Incubator schelpen getest. Open (bovenste rij) en gesloten (onderste rij). Polystyreen doos (links), dikte van 3,5 cm, buitenste afmetingen 39 x 56 x 36 cm; hard kunststof koeler vak (midden), dikte van 2.5 cm, buitenafmeting 32 x 41 x 47 cm; kartonnen doos (rechts) bedekt met een deken van de standaard overleven met een dikte van 12 µm gevouwen tweemaal, buitenste afmetingen 30 x 42 x 37 cm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

figure-results-2
Figuur 11: tijd om te bereiken van de ingestelde temperatuur (37 ° C) van de incubator set-ups onder verschillende omgevingstemperatuur voorwaarden. Optredens van starterscentra met een shell die uit een polystyreen doos, een harde koeler doos en een kartonnen doos bedekt met een deken van overleving. Op kamer omgevingstemperatuur (a), koude omgevingstemperatuur (b)en (c)van de warme omgevingstemperatuur. Temperatuur geregistreerd op het rek van de ondersteuning van de incubators. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

figure-results-3
Figuur 12: tijd om te bereiken van de ingestelde temperatuur (44,5 ° C) van de incubator set-ups onder verschillende omgevingstemperatuur voorwaarden. Optredens van starterscentra met een shell die uit een polystyreen doos, een harde koeler doos en een kartonnen doos bedekt met een deken van overleving. Op kamer omgevingstemperatuur (a), koude omgevingstemperatuur (b)en (c)van de warme omgevingstemperatuur. Temperatuur geregistreerd op het rek van de ondersteuning van de incubators.  Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

figure-results-4
Figuur 13: temperatuurschommelingen gedurende de periode van de 24-uurs en effect van deur openen onder verschillende omgevingstemperatuur voorwaarden. Ingestelde temperatuur van 37 ° C. Optredens van starterscentra met een shell die uit een polystyreen doos, een harde koeler doos en een kartonnen doos bedekt met een deken van overleving. Op kamer omgevingstemperatuur (a), koude omgevingstemperatuur (b)en (c)van de warme omgevingstemperatuur. Omcirkelde gebieden tonen de temperatuurvariaties te wijten aan de deur openen voor één minuut. Temperatuur geregistreerd op het rek van de ondersteuning van de incubators. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

figure-results-5
Figuur 14: temperatuurschommelingen gedurende de periode van de 24-uurs en effect van deur openen onder verschillende omgevingstemperatuur voorwaarden. Ingestelde temperatuur van 44,5 ° C. Optredens van starterscentra met een shell die uit een polystyreen doos, een harde koeler doos en een kartonnen doos bedekt met een deken van overleving. Op kamer omgevingstemperatuur (a), koude omgevingstemperatuur (b)en (c)van de warme omgevingstemperatuur. Omcirkelde gebieden tonen de temperatuurvariaties te wijten aan de deur openen voor één minuut. Temperatuur geregistreerd op het rek van de ondersteuning van de incubators. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

figure-results-6
Figuur S1: elektrische schema van incubator elektrische kern bedrading. Alternatieven voor netspanning bediening en werking van de batterij worden aangegeven. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Met de parameterGeselecteerde waarde
1Type besturingselement uitvoerControle van Q1 / Alarm Q2
2Type aangesloten sensorPt100 (-200 tot 140 ° C)
3Ondergrens selecteerbaar voor normwaarde0
4Bovengrens selecteerbaar voor normwaarde50
5Type besturingselementVerwarming
6ON/OFF hysteresis of dode band voor P.I.D. controle0
7Proportionele bandbreedte van het proces, uitgedrukt in eenheden (° C als temperatuur)1
8Integraal tijd. Intertia van het proces, uitgedrukt in seconden80,0
9Afgeleide tijd voor P.I.D.20,0
10Cyclustijd voor tijd-doseren uitvoer10
11Toestaan/weigeren van wijziging van setpoint waarden door frontale toetsenbordWijziging van alle basiswaarden toestaan
12Software filter. Aantal lezingen voor het berekenen van de vergelijking waarde PV-SPV10
13Soort graad° C
14Type koeling vloeistofLucht

Tabel S1: de instellingen van de controller van de temperatuur van de PID. Weergave van ingestelde waarden; andere parameters niet noodzakelijk voor stormloop de incubator bleven op standaardwaarden.

Discussie

Onder duurzame ontwikkeling doel 6.1 groeit de vraag naar kwaliteit Watermonstername, vooral in afgelegen plattelandsgebieden waar toezicht praktijken minder gevestigde14 zijn. Een belangrijke belemmering voor de uitvoering van regelmatige waterkwaliteit testen in deze instellingen is slechte toegang tot laboratoria beeldschermresolutie ondersteunen van microbiële methoden6. Dit document stelt een methode voor een betrouwbare incubator gebouwd van materialen die relatief goedkoop en overal verkrijgbaar zijn. De elektrische componenten zijn relatief eenvoudig om de bron en assembleren, vereisen slechts een beperkte kennis. Bovendien, het ontwerp van de shell incubator is flexibel en kan daarom worden geconstrueerd van lokaal beschikbare materialen. Dit is met name wenselijk voor die reizen naar externe locaties, omdat de bagageruimte is niet nodig voor een zwaar en volumineus shell. Afhankelijk van de shell gebruikt, het volume van de incubator is ook aan te passen en aangepast aan de grootte van een specifieke steekproef kan worden verkleind. De gepresenteerde set-up kan worden gebruikt op - en off-grid, waardoor het robuust stroomstoringen of afwezigheid van betrouwbare elektrische voeding. Terwijl bepaalde ontwerpbeperkingen werden waargenomen, deze set-up omhoog over het algemeen doeltreffend gebleken onder een waaier van omgevingstemperatuur voorwaarden (3,5 ° C tot 39 ° C).

Er zijn verschillende stappen in het protocol die essentieel zijn voor het bereiken van een incubator ontwerp geschikt aan iemands behoeften. De eerste is de selectie van de elektrische onderdelen van de incubator. Alternatieve onderdelen kunnen worden gekozen op basis van de prijs of de lokale beschikbaarheid. Afhankelijk van het materiaal geselecteerd en hun technische specificaties, kan de incubator prestaties in vergelijking met de resultaten gepresenteerd hebben veranderd. Een andere belangrijke stap in het protocol is de keuze van materiaal van shell, die dient te geschieden op basis van het verwachte bereik van omgevingstemperatuur kunnen worden bewaard, plaatselijke stroomnet en beschikbaarheid van materialen. Bij lagere omgevingstemperaturen (< 25 ° C), een shell gebouwd van piepschuim of een harde koeler doos wordt aanbevolen om een ingestelde temperatuur van 37 ° C en 44,5 ° C. Stel deze op basis van de experimentele gegevens gepresenteerd, ups kunnen worden verwacht dat de ingestelde temperatuur bereikt in 45-96 minuten en consumeren van 0.78 - 1.05 kWh / 24h in koude omgevingen (3,5 tot 7,5 ° C). De kartonnen doos met overleving deken wordt niet aanbevolen voor gebruik bij lagere omgevingstemperaturen aangezien deze ingesteld nooit bereikte dat een stabiele temperatuur tijdens de experimentele observatieperiode instellen. Bij matige omgevingstemperatuur (27 ° C) zijn een van de typen van de shell getest aanvaardbaar, met een vergelijkbaar iets groter energieverbruik waargenomen voor de kartonnen doos set up. Bij hogere omgevingstemperaturen (39 ° C) waren de ontwerpen van de incubator gepresenteerde gevoelig voor oververhitting als tenzij de ingestelde temperatuur zelfs hoger (dat wil zeggen, 44,5 ° C was). Daarom zou deze voorwaarden vereisen een koeling apparaat of worden gebruikt in een klimaat gecontroleerde ruimte.

De kosten van de bouw van de hier gepresenteerde incubator was ongeveer 300 USD toen materialen werden gekapt in Zwitserland. Deze kosten kunnen echter aanzienlijk lager op verschillende locaties, vooral als de verzendkosten voor de kernonderdelen van de elektronische kan tot een minimum worden beperkt. Wijziging van de verschillende onderdelen beschreven in het protocol kan verder verlagen. Het protocol hier gepresenteerd is beperkt in die zin dat slechts drie shell soorten materiaal op twee ingestelde temperaturen, alsmede de keuring van microbiële groei voor E. coli alleen worden vergeleken. Toekomstig onderzoek moet de geschiktheid van dit ontwerp incubator onder een groter bereik van de parameters van de temperatuur en het gebruik van aanvullende microbiële indicator soorten (bijvoorbeeld Enterococcus) en ziekteverwekkers (bijvoorbeeld salmonella, Vibrio testen cholerae). Toekomstig onderzoek moet ook richten op de ontwikkeling van effectieve koeltechnieken binnen de incubator, waardoor voor het gebruik ervan in extreem warme omgevingen (> 40 ° C).

Om onze kennis is er geen andere bekende veld incubator dat aanpasbaar volumecapaciteit en is gemakkelijk demonteerbaar, terwijl de resterende vervoerbare en lage kosten. Deze innovatieve alternatief voor starterscentra verkrijgbare vervult een behoefte aan regeringen en organisaties met waterkwaliteit en andere cultuur gebaseerde testen doelstellingen waar enkele laboratoriumfaciliteiten beschikbaar zijn. Wanneer in paren gerangschikt met eenvoudige waterkwaliteit testapparatuur, kunt deze incubator beoefenaars met beperkte capaciteiten om permanente of seizoensgebonden laboratoria tegen een redelijke prijs. Door het verhogen van het aantal laboratoria in afgelegen gebieden, wordt inspanningen te voeren regelmatig water kwaliteitstoezicht of bereiken systeembewerkingen stipte toezicht steeds haalbaar.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit onderzoek werd gesteund door de Zwitserse Agentschap voor ontwikkelingssamenwerking en het REACH-programma gefinancierd door UK steun van het Britse ministerie for International Development (DFID) ten behoeve van ontwikkelingslanden (Aries Code 201880). De standpunten en informatie daarin zijn niet noodzakelijkerwijs die van of onderschreven door deze agentschappen, die geen aansprakelijkheid voor dergelijke standpunten of informatie of voor enig vertrouwen op hen geplaatst aanvaarden kunnen. De auteurs bedanken ook Arnt Diener voor zijn bijdragen aan de vroege herhalingen van het prototype van de incubator polystyreenschuim.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
VerwarmingsfolieThermo2115337Zelfklevend 10x20 cm; Bedrijfsspanning 12V; Vermogen 20W
Axiaal ventilatorYen Sun Technology Corp.FD126025MB6x6x2.5 cm; Bedrijfsspanning 12VDC; Vermogen 1.44W; Max. stroomverbruik 60mA
PID TemperatuurregelaarWachendorff Automation GmbH & Co. KGUR3274SPID-regelaar 32x74 mm; Universele ingang voor processignalen, thermokoppels, Pt100; Bedrijfsspanning 24 VDC; Uitgangen (thermostaten) 10 A relais, 5 A relais, SSR, RS 485
Temperatuursensor Pt100Conrad198466Temperatuurbereik -100°C tot 200°C; Sensor Pt100, Type FS-400P
Universele behuizingOKW Gehäuse SystemC2012201Afmetingen 200 x 120 x 60 mm
DC/DC-omzetterTraco PowerTMDC 60-2412Nominele spanning 24 VDC; Ingangsspanning 9-36 VDC; Uitgangsspanning 12 VDC; Max. uitgangsstroom 5 A; Vermogen 60W
AC-voedingsadapterBicker ElektronikBET-0612Uitgangsspanning 12 VDC; Max. uitgangsstroom 5 A; Ingangsspanning 115-230 VAC
AfstandsstukSchäfer Elektromechanik20/4Zonder draad; Draadmaat M4; Polystyreen; Afstand 20 mm
KabeldoorvoerWISKA10066410M12 x 1.5 cm; Klembereik 3 – 7 mm
KroonluchterklemAdels Contact125312Nominale stroom 25 A; Nominale spanning 500V
Schroef M4 x 50Bossard1579010M4 x 50 mm
Schroefmoer M4Bossard1241478M4
Schroefmoer M4Bossard1887505M4
Schroef M3 x 25Bossard1211099M3 x 25 mm
Schroefmoer M3Bossard1241443M3
Schroefmoer M3Bossard1887483M3
Ondersteuningsplaat -  - Isoleermateriaal (kunststof of ander); 28 x 25 cm

Referenties

  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).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

BudgetincubatortemperatuurregelingPID controllerverwarmingsfolieaxiale ventilatorincubatorbehuizingenergieverbruikmicrobi le groeiveldlaboratorium

Gerelateerde artikelen