Artykuł metodologiczny

Budowa niskokosztowego mobilnego inkubatora do użytku polowego i laboratoryjnego

15.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/58443

⸱

19 marca 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

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł opisuje metodę budowy elastycznego, taniego i przenośnego inkubatora do badań mikrobiologicznych wody pitnej. Nasz projekt opiera się na powszechnie dostępnych materiałach i może działać w różnych warunkach terenowych, oferując jednocześnie zalety modeli laboratoryjnych z wyższej półki.

Streszczenie

Inkubatory są niezbędne dla szeregu metod mikrobiologicznych opartych na kulturach, takich jak filtracja membranowa, a następnie uprawa do oceny jakości wody pitnej. Dostępne na rynku inkubatory są jednak często drogie, trudne w transporcie, nieelastyczne pod względem objętości i/lub słabo przystosowane do lokalnych warunków terenowych, w których dostęp do energii elektrycznej jest zawodny. Celem tego badania było opracowanie elastycznego, taniego i przenośnego inkubatora, który można zbudować z łatwo dostępnych komponentów. Po raz pierwszy opracowano elektroniczny rdzeń inkubatora. Komponenty te zostały następnie przetestowane w różnych warunkach temperatury otoczenia (3,5 °C - 39 °C) przy użyciu trzech rodzajów skorup inkubatora (pudełko z pianki polistyrenowej, pudełko z twardą chłodnicą i pudełko kartonowe pokryte kocem ratunkowym). Rdzeń elektroniczny wykazał się wydajnością porównywalną ze standardowym inkubatorem laboratoryjnym pod względem czasu potrzebnego do osiągnięcia zadanej temperatury, stabilności temperatury wewnętrznej i dyspersji przestrzennej, zużycia energii i rozwoju drobnoustrojów. Zestawy inkubatora były również skuteczne w umiarkowanych i niskich temperaturach otoczenia (od 3,5 °C do 27 °C) oraz w wysokich temperaturach (39 °C), gdy temperatura ustawiona w inkubatorze była wyższa. Ten prototyp inkubatora jest tani (< 300 USD) i można go dostosować do różnych materiałów i objętości. Jego demontowalna konstrukcja ułatwia transport. Może być używany zarówno w renomowanych laboratoriach z zasilaniem sieciowym, jak i w odległych warunkach zasilanych energią słoneczną lub akumulatorem samochodowym. Jest szczególnie przydatny jako opcja wyposażenia dla laboratoriów terenowych na obszarach o ograniczonym dostępie do zasobów do monitorowania jakości wody.

Wprowadzenie

Metody hodowlane służące do wykrywania zanieczyszczeń mikrobiologicznych stanowią obecnie standard w analizie jakości wody zarówno w krajach uprzemysłowionych, jak i rozwijających się1,2. Mikroorganizmy występują w wielu środowiskach i wymagają różnych warunków temperaturowych dla optymalnego wzrostu. Dlatego stworzenie stabilnego temperaturowo środowiska inkubacji jest warunkiem koniecznym do wiarygodnego wykrywania istotnych zanieczyszczeń mikrobiologicznych w wodzie pitnej. Według Światowej Organizacji Zdrowia, Escherichia coli (E. coli) (lub alternatywnie bakterie coli termotolerancyjne (TTC)) są najodpowiedniejszymi wskaźnikami zanieczyszczenia fekalnego wody pitnej3. Wykrywanie tych organizmów polega na przykład na przefiltrowaniu 100 mL próbki wody przez membranę, a następnie inkubacji membrany na podłożach selektywnych w temperaturze 35 - 37 °C (E. coli) lub 44 - 45 °C (TTC)3.

Zastosowania metod hodowlanych w terenie stały się w ostatnich latach coraz bardziej istotne. W ramach Celu Zrównoważonego Rozwoju 6, Cel 6.1, rządy zobowiązały się do regularnego raportowania bakteriologicznej jakości wody pitnej na poziomie krajowym4. Oprócz takich działań w zakresie nadzoru nad zdrowiem publicznym, na poziomie lokalnym lub regionalnym regularnie prowadzone jest monitorowanie operacyjne infrastruktury wodnej5. Kampanie nadzoru i monitorowania te często odbywają się w odległych lokalizacjach, gdzie wymagana infrastruktura laboratoryjna jest niewystarczająca lub niedostępna6. Podobnie metody hodowlane są szeroko stosowane w diagnostyce medycznej i badaniach mikrobiologicznych, w których lokalne kliniki i instytucje badawcze mogą borykać się z ograniczonymi zasobami i niestabilnymi dostawami energii elektrycznej7.

W powyższych kontekstach konwencjonalne inkubatory są często niewystarczające lub niedostępne. Jako alternatywę opracowano specjalne inkubatory polowe do użytku poza laboratorium, np. projekt Aquatest8, University of Bristol, Wielka Brytania; DelAgua9, Marlborough, Wielka Brytania; lub Aquagenx10, University of North Carolina, Stany Zjednoczone. Urządzenia te mają jednak stosunkowo niewielką objętość, co ogranicza liczbę próbek, które można przetwarzać jednocześnie. Dostępne na rynku inkubatory polowe nie są również zaprojektowane do pracy w warunkach bardzo niskiej (< 20 °C) lub bardzo wysokiej (> 40 °C) temperatury otoczenia, co utrudnia ich stosowanie w środowiskach pustynnych lub wysokogórskich. Dalsze alternatywne rozwiązania obejmują jogurtnice11, pasy grzewcze oraz inkubatory z materiałami przemiany fazowej12. Takie niekonwencjonalne inkubatory mogą jednak działać niestabilnie lub być uciążliwe w obsłudze11.

Istnieje zatem potrzeba opracowania inkubatora, który oferowałby zalety modeli laboratoryjnych (łatwość obsługi, większa objętość i precyzja temperatury), pozostając jednocześnie odpowiednim do zastosowań terenowych (niski koszt, łatwość transportu i konserwacji, odporność na szeroki zakres temperatur otoczenia, efektywność energetyczna oraz odporność na przerywane zasilanie) (Tabela 1). Celem niniejszego protokołu jest szczegółowe przedstawienie procesu wykonania niskokosztowego inkubatora, zaprojektowanego w celu optymalizacji zalet modeli konwencjonalnych i terenowych przy użyciu powszechnie dostępnych materiałów.

CharakterystykaLaboratoryjneDziedzinaZoptymalizowany
Intuicyjny projektfigure-introduction-1figure-introduction-2figure-introduction-3
Duża pojemnośćfigure-introduction-4figure-introduction-5figure-introduction-6
Odporność na szeroki zakres temperatur otoczeniafigure-introduction-7figure-introduction-8figure-introduction-9
Utrzymuje stałą temperaturęfigure-introduction-10figure-introduction-11figure-introduction-12
Niski kosztfigure-introduction-13figure-introduction-14figure-introduction-15
Łatwy w transporciefigure-introduction-16figure-introduction-17figure-introduction-18
Energooszczędnyfigure-introduction-19figure-introduction-20figure-introduction-21
Odporny na przerwy w dostawie energii elektrycznejfigure-introduction-22figure-introduction-23figure-introduction-24

Tabela 1: Charakterystyka dostępnych komercyjnie inkubatorów (laboratoryjnych i terenowych) oraz zoptymalizowanego podejścia.

Poniższy protokół montażu określa wymagane materiały i kroki niezbędne do zbudowania inkubatora. Jest on podzielony na cztery etapy: po pierwsze, montaż jednostki grzewczej; po drugie, montaż jednostki sterującej; po trzecie, montaż rdzenia elektrycznego inkubatora; i po czwarte, montaż inkubatora. Niniejszy protokół opisuje konstrukcję rdzenia elektronicznego inkubatora, który może współpracować z różnymi obudowami inkubatorów. Pełną listę wszystkich komponentów użytych w protokole oraz ich specyfikacje techniczne zawiera Tabela materiałów. Poniższy protokół przedstawia funkcjonalny przykład inkubatora terenowego, jednak możliwe jest elastyczne zastosowanie różnych komponentów, o ile spełniają one wymagania elektryczne. Użycie innych komponentów może wpłynąć na wydajność inkubatora. Zaleca się, aby konstrukcja i okablowanie komponentów elektrycznych zostały wykonane przez osobę wykwalifikowaną w dziedzinie elektryki.

Protokół

1. Jednostka grzewcza

  1. Przygotować następujące elementy (Rysunek 1):
    figure-protocol-1 Płyta wsporcza (280 x 250 mm) z wymaganymi otworami montażowymi
    figure-protocol-2 Wentylator osiowy (60 x 60 x 25 mm); 2x
    figure-protocol-3 Dystans (długość 20 mm, średnica wewnętrzna 4.25 mm (M4)); 4x
    figure-protocol-4 Kostka elektryczna z trzema pinami
    figure-protocol-5 Nakrętka (M4); 4x oraz (M3); 1x
    figure-protocol-6 Podkładka (M4); 8x oraz (M3); 1x
    figure-protocol-7 Śruba (M4); 4x oraz (M3); 1x

figure-protocol-8
Rycina 1: Poszczególne elementy jednostki grzewczej. figure-protocol-9 Płyta wsporcza, figure-protocol-10 wentylatory osiowe, figure-protocol-11 podkładki dystansowe, figure-protocol-12 zacisk lusterka, figure-protocol-13 nakrętki, figure-protocol-14 podkładki i figure-protocol-15 śruby. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

  1. Wywierć wymagane otwory (Rysunek 2) w płycie wsporczej figure-protocol-16, aby zamocować wentylatory osiowe figure-protocol-17 oraz terminal luster figure-protocol-18 (Rysunek 1).

figure-protocol-19
Rycina 2: Schemat płyty wsporczej. Wskazówki dotyczące wiercenia otworów mocujących w płycie wsporczej w celu zamocowania wentylatorów osiowych oraz terminala oświetlenia. Odległości podano w milimetrach. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

  1. Przymocuj wentylatory osiowe figure-protocol-20 na środku płyty wsporczej figure-protocol-21, jak pokazano na ryc. 3, używając dwóch śrub M4, nakrętek i podkładek figure-protocol-22, figure-protocol-23, figure-protocol-24 na każdy wentylator. Użyj dystansów figure-protocol-25, aby zachować odstęp między wentylatorami a płytą wsporczą (ryc. 3).
  2. Przymocuj kostkę elektryczną figure-protocol-26 do płyty wsporczej figure-protocol-27 za pomocą śruby M3, nakrętki i podkładki. Zabezpiecz kable wentylatorów. (ryc. 3).
  3. Podłącz kable wentylatorów do kostki elektrycznej. Połącz ze sobą dodatnie kable każdego wentylatora oraz ujemne kable każdego wentylatora (ryc. 3). Czujnik prędkości nie jest wymagany.

figure-protocol-28
Rycina 3: Wentylatory osiowe przymocowane do płyty wsporczej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

UWAGA: Wspomniane kolory kabli odpowiadają tym przedstawionym na rysunkach. Kolory kabli mogą się różnić w zależności od zastosowanych materiałów.

2. Jednostka sterująca (zasilacz)

  1. Przygotować następujące elementy:
    figure-protocol-29 Uniwersalna obudowa (tutaj 200 x 120 x 60 mm, lecz wymiary zależą od rozmiaru przetwornicy DC/DC oraz sterownika temperatury PID)
    figure-protocol-30 Przełącznik włącz/wyłącz
    figure-protocol-31 Przetwornica DC/DC, zakres napięcia wejściowego 9 - 36V, napięcie wyjściowe 12V
    figure-protocol-32 Sterownik temperatury PID, napięcie robocze 12 - 35 V/DC
    figure-protocol-33 Przelotka kablowa, M12 x 15 mm, zakres zaciskania 2 - 7.5 mm (lub dostosowana do użytego kabla)
    figure-protocol-34 Czujnik temperatury Pt100
    figure-protocol-35 Zasilacz AC
    UWAGA: Inkubator można podłączyć do sieci elektrycznej lub do akumulatora. W przypadku zasilania sieciowego wymagany jest zasilacz AC, a jeśli urządzenie jest podłączone wyłącznie do sieci, przetwornica DC/DC nie jest obowiązkowa. W przypadku zasilania z akumulatora wysoce zalecana jest przetwornica DC/DC, a zamiast zasilacza AC wymagany jest kabel dwużyłowy. Niniejszy protokół przedstawia wersję z przetwornicą DC/DC i zasilaczem AC. Schemat elektryczny rdzenia elektrycznego inkubatora szczegółowo przedstawiono w materiale uzupełniającym (Rysunek S1).
  2. W obudowie wywiercić otwory na sterownik temperatury PID, przełącznik włącz/wyłącz oraz przelotki kablowe, używając wiertarki i wyrzynarki lub równoważnego narzędzia (Rysunek 4).

figure-protocol-36
Rycina 4: Schemat Uniwersalnej Obudowy. (a) Wskazania dotyczące rozmieszczenia regulatora temperatury figure-protocol-37, przełącznika włącznik/wyłącznik figure-protocol-38 oraz dławików kablowych figure-protocol-39 wewnątrz uniwersalnej obudowy; odległości podano w milimetrach. (b) Widok 3D uniwersalnej obudowy. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

  1. Podłącz przetwornicę DC/DC do przełącznika włącznik/wyłącznik: podłącz dodatni przewód zasilacza AC do przełącznika włącznik/wyłącznik, a ujemny przewód zasilacza AC do wejścia "- Vin" przetwornicy DC/DC (Rysunek 5).
  2. Użyj przewodu, aby połączyć przełącznik włącznik/wyłącznik z wejściem "+ Vin" przetwornicy DC/DC (Rysunek 5).

figure-protocol-40
Rysunek 5: Zamontowana jednostka sterująca. Uniwersalna obudowa figure-protocol-41 z przetwornicą DC/DC figure-protocol-42 podłączoną do kontrolera temperatury PID figure-protocol-43 oraz przełącznika włącznik/wyłącznik figure-protocol-44. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

  1. Podłącz kable z modułu grzewczego do kontrolera temperatury PID w następujący sposób (Rysunek 6):
    1. Podłącz zacisk „1” kontrolera temperatury PID do przewodu „DC –“ z przyłącza modułu grzewczego oraz do zacisku „- Vout” przetwornicy DC/DC.
    2. Podłącz przewód „DC +” prowadzący do modułu grzewczego do zacisku „4” kontrolera temperatury PID, a także do zacisku „2” kontrolera temperatury PID (patrz punkt 3.2).
    3. Podłącz zacisk „2” kontrolera temperatury PID do zacisku „+ Vout” przetwornicy DC/DC.
    4. Podłącz zacisk „5” kontrolera temperatury PID do przewodu „command” prowadzącego do modułu grzewczego (patrz punkt 3.2).
    5. Podłącz czujnik temperatury do zacisków „10”, „11” i „12”.
      UWAGA: Czerwony kabel czujnika temperatury musi być podłączony do zacisku „11” kontrolera temperatury PID.
  2. Przymocuj przetwornicę DC/DC za pomocą rzepa do dna obudowy, a następnie zamknij uniwersalną obudowę.

figure-protocol-45
Rysunek 6: Połączenie kablowe przetwornicy DC/DC z regulatorem temperatury PID. Przetwornica DC/DC figure-protocol-46, regulator temperatury PID figure-protocol-47, połączenie z inkubatorem (kabel A) i połączenie z czujnikiem temperatury (kabel B). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

UWAGA: Funkcje użytych zacisków regulatora temperatury PID podano w Tabeli 2.

zacisk regulatora temperatury PIDFunkcja
Terminal "1"Podaj dane wejściowe +
Terminal "2"Proszę o dostarczenie tekstu źródłowego.
Terminal "4"Wspólny styk wyjścia sterującego
Terminal "5"Styk normalnie otwarty wyjścia sterującego

Tabela 2: Funkcje odpowiadające zaciskom regulatora temperatury PID.

3. Montaż rdzenia elektrycznego inkubatora

  1. Przygotować następujące elementy:
    Jednostkę grzewczą z sekcji 1
    Jednostkę sterującą z sekcji 2
    figure-protocol-48 Folie grzewcze, samoprzylepne, 100 x 200 mm, 12 V/20 W, 2x
  2. Połączyć kable połączeniowe z jednostki sterującej z jednostką grzewczą w następujący sposób (Rysunek 7):
    1. Przewód „DC-” z jednostki sterującej należy połączyć z jednym z przewodników każdej z folii grzewczych oraz z ujemnym przewodem każdego wentylatora.
    2. Przewód „DC+” wychodzący z jednostki sterującej należy połączyć z dodatnim kablem każdego wentylatora.
    3. Przewód „command” z jednostki sterującej należy połączyć z pozostałymi dwoma przewodnikami folii grzewczych.

figure-protocol-49
Rycina 7: Połączenie kablowe folii grzewczych figure-protocol-50 z regulatorem temperatury PID. Aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

UWAGA: Zmontowany rdzeń elektryczny inkubatora polowego przedstawiono na Rysunku 8.

figure-protocol-51
Rycina 8: Kompletny rdzeń elektryczny inkubatora terenowego. Jednostka grzewcza figure-protocol-52, jednostka sterująca figure-protocol-53 oraz sonda temperatury figure-protocol-54. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

4. Montaż inkubatora

  1. Przygotuj następujące elementy:
    Rdzeń elektryczny inkubatora
    Obudowę inkubatora (w tym przypadku pudełko ze styropianu, lecz może to być dowolny rodzaj pudełka wykonanego z materiału izolacyjnego)
    Stelaż wsporczy (w tym przypadku stelaż metalowy, lecz może być wykonany z innego materiału)
  2. Złóż elementy inkubatora w następujący sposób (Rysunek 9):
    1. Ustaw obudowę inkubatora na boku, tak aby otwór inkubatora (drzwi) znajdował się z boku.
    2. Umieść płytę wsporczą z jednostką grzewczą na dnie obudowy inkubatora.
    3. Umieść stelaż wsporczy nad jednostką grzewczą, pozostawiając odstęp co najmniej 10 cm między jednostką grzewczą a stelażem wsporczym.
    4. Umieść sondę temperatury na stelażu wsporczym i zamocuj ją w inkubatorze.
  3. Wywierć otwory w drzwiach inkubatora, aby umożliwić wprowadzenie kabli (Rysunek 9).
  4. Podłącz inkubator do źródła zasilania.
  5. Włącz inkubator i dostosuj ustawienia kontrolera temperatury PID (szczegółowe ustawienia znajdują się w Tabeli S1 w materiale uzupełniającym).

figure-protocol-55
Rysunek 9: Kompletny inkubator terenowy. Otwarty (lewo) i zamknięty (prawo). Jednostka grzewcza figure-protocol-56, ruszt wspierający figure-protocol-57, sonda temperatury figure-protocol-58, jednostka sterująca figure-protocol-59, obudowa inkubatora figure-protocol-60 oraz otwory na kable w obudowie inkubatora (obszar zakreślony okręgiem). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

UWAGA: Obudowa inkubatora może być wykonana z dowolnego rodzaju materiału. Zaleca się stosowanie materiału izolacyjnego oraz zapewnienie szczelnego zamknięcia pudełka, aby uniknąć rozpraszania ciepła. Ruszt wspierający powinien posiadać duże otwory, aby zapobiec gromadzeniu się ciepła w konstrukcji, a materiał może być metalowy lub inny (np. plastikowy).

Wyniki

Niezawodność solidnego inkubatora terenowego zależy od jego zdolności do osiągnięcia i utrzymania zadanej temperatury w różnych warunkach. W celu monitorowania wydajności różnych konfiguracji inkubatorów wykonano następujące pomiary: czas potrzebny do osiągnięcia zadanej temperatury, wpływ otwarcia drzwi na jedną minutę, zużycie energii podczas 24 godzin pracy, stabilność temperatury wewnętrznej podczas 24 godzin pracy oraz obserwację wzrostu E. coli. Temperaturę wewnątrz inkubatora mierzono co minutę za pomocą 4 rejestratorów temperatury rozmieszczonych w różnych miejscach konstrukcji (stelaż wsporczy, ścianka, góra, wewnątrz płytki hodowlanej). Przyjęto, że zadana temperatura została osiągnięta, gdy wszystkie pomiary mieściły się w zakresie plus lub minus 2 °C, co stanowi dopuszczalny zakres dla inkubacji E. coli.13

Rdzeń elektroniczny przetestowano przy użyciu trzech rodzajów obudów, wykonanych z materiałów powszechnie dostępnych w wielu krajach: pudełka ze styropianu (78 litrów), sztywnego plastikowego pojemnika chłodzącego (30 litrów) oraz kartonowego pudełka owiniętego kocem termicznym (46 litrów) (Rycina 10). Aby objąć zakres warunków otoczenia, z jakimi można spotkać się w terenie, konfiguracje inkubatorów testowano w trzech temperaturach otoczenia: pokojowej (około 27 °C), niskiej (około 3.5 °C i 7.5 °C) oraz wysokiej (około 39 °C). Parametry wydajności sprawdzano, ustawiając temperaturę wewnętrzną na 37 °C oraz 44.5 °C.

Czas potrzebny na osiągnięcie zadanej temperatury w inkubatorach zależał od temperatury otoczenia oraz materiału, z którego wykonana była obudowa inkubatora. Przy temperaturze otoczenia wynoszącej około 27 °Ctrzy konfiguracje inkubatorów osiągnęły zadane temperatury (37 °C i 44.5 °C) w podobnym czasie (Rysunek 11a i Rycina 12a) i porównywalne z wydajnością standardowej inkubatora (Tabela 3). W środowiskach zimnych (3.5 °C i 7.5 °C), inkubatory z grubszą skorupą, t. j. pianka polistyrenowa i skrzynka chłodnicza osiągnęły docelowe temperatury ustawienia (37 °C i 44.5 °C) w podobnym czasie; około czterokrotnie dłużej niż w temperaturze otoczenia wynoszącej 27 °CZe względu na słabszą izolację, pudełko tekturowe z kocem termicznym nigdy nie osiągnęło w pełni zadanych temperatur w warunkach niskiej temperatury otoczenia (Rysunek 11b i Rysunek 12b). W ciepłym środowisku (39 °C), trzy konfiguracje inkubatorów osiągnęły temperaturę docelową wynoszącą 44.5 °C w czasie poniżej 10 minut (Rycina 12c). Jednakże, gdy temperatura zadana wynosiła 37 °C, t. j. niższa niż temperatura otoczenia; żadna z inkubatorów nie była w stanie obniżyć temperatury, co doprowadziło do przegrzania we wszystkich trzech konfiguracjach inkubatorów (Rycina 11c).

Temperatura otoczenia oraz rodzaj obudowy inkubatora wpływały na skutki otwarcia drzwi inkubatora na jedną minutę. Utrata ciepła była większa w zimnym otoczeniu, a czas powrotu do ustawionych temperatur wewnętrznych był dłuższy, z wyjątkiem inkubatora z kartonowego pudła, w którym ustawione temperatury nigdy nie zostały osiągnięte (Rysunek 13b i Rysunek 14b). W cieplejszych środowiskach utrata ciepła była ograniczona, a ustawione temperatury zostały przywrócone w czasie krótszym niż 10 minut (Rysunek 13a,c i Rysunek 14a,c). Przy temperaturze otoczenia 39 °C i ustawionej temperaturze 37 °C otwarcie drzwi nie powodowało ani nie zmniejszało przegrzewania się inkubatorów (Rysunek 13c).

Zużycie energii wzrastało w środowiskach chłodniejszych oraz wraz ze wzrostem zadanej temperatury. Inkubatory o lepszej izolacji obudowy (pianka polistyrenowa i lodówka turystyczna) wykazały mniejsze zużycie energii w porównaniu do inkubatora z tektury. W podobnych warunkach (temperatura otoczenia około 27 °C) trzy konfiguracje inkubatorów zużyły od 0,22 do 0,52 kWh/24h mniej energii niż testowane inkubatory standardowe (Tabela 3).

Temperatura w inkubatorze pozostawała stabilna przez 24 godziny dla wszystkich przetestowanych typów obudów inkubatora i temperatur otoczenia (Rysunek 13 oraz Rysunek 14). W zależności od położenia rejestratora temperatury w inkubatorze zaobserwowano niewielkie odchylenia zmierzonej temperatury od temperatury zadanej. Z wyjątkiem testów, w których temperatura otoczenia (39 °C) była wyższa niż temperatura zadana (37 °C) (Rysunek 13c), wszystkie wahania temperatury mieściły się w dopuszczalnym zakresie 2 °C dla inkubacji E. coli.

Wszystkie testy przeprowadzono w obecności E. coli oraz materiałów do pomiaru całkowitej liczby bakterii grupy coli (filtr membranowy umieszczony na płytce wzrostowej). Powtórzenia prób umieszczono w każdej konfiguracji inkubatora oraz w inkubatorze standardowym w celu porównania. we wszystkich konfiguracjach i warunkach wzrost E. coli oraz całkowitej liczby bakterii grupy coli przebiegł pomyślnie i był porównywalny ze wzrostem obserwowanym w inkubatorze standardowym. Podsumowanie przetestowanych konfiguracji inkubatorów i warunków temperatury otoczenia wraz z wynikami przedstawiono w Tabeli 3.

Test 1:
Czas osiągnięcia zadanej temperatury		Test 2:
Minutowe otwarcie bocznych drzwi		Test 3:
Zużycie energii w ciągu 24 godzin		Test 4:
Wahania temperatury w ciągu 24 godzin		Test 5:
Obserwowany wzrost E. coli
Temperatura otoczeniaTemperatura zadana(min)Maksymalny spadek temperatury (°C); czas powrotu do temperatury zadanej (min)(kWh/24 h)Bezwzględna temperatura maksymalna (°C); bezwzględna temperatura minimalna (°C) *(Tak / Nie)
Pudełko ze styropianu3.5 °C37 °C4510 °C; 17 min0.7837; 35.5Tak
7.5 °C44.5 °C7416.5 °C; 31 min0.8944.5; 42.5ND†
27 °C37 °C122.5 °C; 3 min0.2837.5; 36.5Tak
44.5 °C204.5 °C; 7 min0.4344.5; 43.5ND†
39 °C37 °C0 (przegrzanie)2 °C; 0 min (przegrzanie)0.1142.5; 42Tak
44.5 °C73.5 °C; 5 min0.1745; 43.5ND†
Twarda lodówka turystyczna3.5 °C37 °C548 °C; 10 min0.8637.5; 36Tak
7.5 °C44.5 °C9612 °C; 30 min1.0545; 43ND†
27 °C37 °C131.5 °C; 0 min0.2737.5; 36.5Tak
44.5 °C252 °C; 4 min0.5045; 43.5ND†
39 °C37 °C0 (przegrzanie)1 °C; 0 min (przegrzanie)0.1143; 42.5Tak
44.5 °C94 °C; 3 min0.1945.5; 44.5ND†
Pudełko tekturowe z kocem termicznym3.5 °C37 °CNigdy nie osiągnięto (temperatura stabilna po 109 min)6.5 °C; temperatura stabilna po 30 min1.2433.5; 30.5Tak
7.5 °C44.5 °CNigdy nie osiągnięto (temperatura stabilna po 120 min)8 °C; temperatura stabilna po 20 min1.2836.5; 32ND†
27 °C37 °C152.5 °C; 6 min0.4236.5; 35.5Tak
44.5 °C243 °C; 8 min0.7044.5; 42.5ND†
39 °C37 °C0 (przegrzanie)1.5 °C; 0 min (przegrzanie)0.1141.5; 40Tak
44.5 °C92 °C; 0 min0.2045; 43.5ND†
Standardowy inkubator27 °C37 °C181 °C; 0 min (przegrzanie)0.6438.5; 36ND†
44.5 °C23 (przegrzanie)2.5 °C; 0 min0.9547.5; 43.5ND†

Tabela 3: Podsumowanie wyników dla przetestowanych konfiguracji inkubatora i warunków temperatury otoczenia.*Test 4: Bezwzględne temperatury maksymalne i minimalne zarejestrowane podczas okresów stabilnych, t.j. od 10 minut po zakończeniu zdarzenia zakłócającego (czas osiągnięcia temperatury zadanej, otwarcie drzwi). †ND: Brak danych, test nie został przeprowadzony.

figure-results-1
Rysunek 10: Przetestowane obudowy inkubatorów. Otwarte (górny rząd) i zamknięte (dolny rząd). Pudełko ze styropianu (lewo), grubość 3,5 cm, wymiary zewnętrzne 39 x 56 x 36 cm; twarda plastikowa lodówka turystyczna (środek), grubość 2,5 cm, wymiary zewnętrzne 32 x 41 x 47 cm; pudełko tekturowe (prawo) pokryte standardowym kocem termicznym o grubości 12 µm złożonym dwukrotnie, wymiary zewnętrzne 30 x 42 x 37 cm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rycina 11: Czas osiągnięcia zadanej temperatury (37 °C) przez konfiguracje inkubatorów w różnych warunkach temperatury otoczenia. Wydajność inkubatorów z obudową wykonaną z pudełka ze styropianu, twardego pudełka chłodzącego oraz pudełka tekturowego pokrytego kocem termicznym. W temperaturze pokojowej (a), niskiej temperaturze otoczenia (b) oraz wysokiej temperaturze otoczenia (c). Temperatury rejestrowane na półce wsporczej inkubatorów. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

figure-results-3
Rysunek 12: Czas osiągnięcia zadanej temperatury (44.5 °C) dla różnych konfiguracji inkubatorów w różnych warunkach temperatury otoczenia.Wydajność inkubatorów z obudową wykonaną z pudełka ze styropianu, twardego pudełka chłodzącego oraz pudełka tekturowego pokrytego kocem termicznym. W temperaturze pokojowej (a), niskiej temperaturze otoczenia (b) oraz wysokiej temperaturze otoczenia (c). Temperatury rejestrowane na kratce wsporczej inkubatorów.  Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

figure-results-4
Rycina 13: Zmienność temperatury w okresie 24-godzinnym i wpływ otwarcia drzwiczek w różnych warunkach temperatury otoczenia. Temperatura zadana 37 °C. Wydajność inkubatorów z obudową wykonaną z pudełka ze styropianu, twardego pojemnika chłodzącego oraz pudełka kartonowego pokrytego kocem termicznym. W temperaturze otoczenia pokojowej (a), niskiej temperaturze otoczenia (b) oraz wysokiej temperaturze otoczenia (c). Zakreślone obszary pokazują wahania temperatury wynikające z otwarcia drzwiczek na jedną minutę. Temperatury zarejestrowane na ruszcie wspierającym inkubatory. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

figure-results-5
Rycina 14: Zmiany temperatury w ciągu 24 godzin oraz wpływ otwierania drzwi w różnych warunkach temperatury otoczenia. Temperatura zadana 44.5 °C. Wydajność inkubatorów z obudową wykonaną z pudełka ze styropianu, twardego pudełka chłodzącego oraz pudełka tekturowego pokrytego kocem termicznym. W temperaturze pokojowej (a), niskiej temperaturze otoczenia (b) oraz wysokiej temperaturze otoczenia (c). Zakreślone obszary pokazują wahania temperatury wynikające z otwarcia drzwi na jedną minutę. Temperatury zarejestrowane na półce wsporczej inkubatorów. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

figure-results-6
Rycina S1: Schemat elektryczny okablowania rdzenia elektrycznego inkubatora. Wskazano alternatywy dla zasilania sieciowego i zasilania akumulatorowego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

ParametrWybrana wartość
1Typ wyjścia sterowaniaSterowanie Q1 / Alarm Q2
2Typ podłączonego czujnikaPt100 (-200 do 140°C)
3Możliwość wyboru dolnej granicy wartości zadanej0
4Możliwość wyboru górnej granicy wartości zadanej50
5Rodzaj kontroliOgrzewanie
6Histereza ON/OFF lub pasmo martwe w sterowaniu P.I.D.0
7Szerokość pasma proporcjonalnego procesu wyrażona w jednostkach (°C jeśli temperatura)1
8Czas całkowania. Bezwładność procesu wyrażona w sekundach80.0
9Czas różniczkowania dla regulatora P.I.D. 20.0
10Czas cyklu dla wyjścia z proporcjonalnością czasową10
11Zezwalanie/blokowanie modyfikacji wartości zadanych za pomocą klawiatury przedniejZezwól na modyfikację wszystkich wartości zadanych
12Filtr programowy. Liczba odczytów do obliczenia wartości porównawczej PV-SPV10
13Stopień naukowy°C
14Rodzaj cieczy chłodzącejPowietrze

Tabela S1: Ustawienia kontrolera temperatury PID. Wyświetlenie wartości zadanych; pozostałe parametry, które nie były niezbędne do pracy inkubatora, pozostawiono w wartościach domyślnych.

Dyskusja

W ramach celu zrównoważonego rozwoju 6.1 rośnie zapotrzebowanie na pobieranie próbek jakości wody, zwłaszcza na odległych obszarach wiejskich, gdzie praktyki monitorowania są mniej ugruntowane14. Główną przeszkodą we wdrażaniu regularnych badań jakości wody w tych warunkach jest słaby dostęp do laboratoriów zdolnych do wspierania metod mikrobiologicznych6. W artykule przedstawiono metodę na niezawodny inkubator zbudowany z materiałów stosunkowo tanich i powszechnie dostępnych. Komponenty elektryczne są stosunkowo łatwe do pozyskania i montażu, wymagają jedynie ograniczonej wiedzy specjalistycznej. Co więcej, konstrukcja skorupy inkubatora jest elastyczna i dlatego może być wykonana z lokalnie dostępnych materiałów. Jest to szczególnie pożądane dla osób podróżujących do odległych miejsc, ponieważ przestrzeń bagażowa nie jest potrzebna na ciężką i nieporęczną skorupę. W zależności od zastosowanej powłoki, objętość inkubatora można również dostosować i dostosować do określonej wielkości próbki. Prezentowany zestaw może być używany w sieci i poza nią, co czyni ją odporną na przerwy w dostawie prądu lub brak niezawodnego zasilania elektrycznego. Chociaż zaobserwowano pewne ograniczenia konstrukcyjne, taka konfiguracja zasadniczo okazała się skuteczna w różnych warunkach temperatury otoczenia (od 3,5 °C do 39 °C).

W protokole znajduje się kilka etapów, które mają kluczowe znaczenie dla uzyskania projektu inkubatora odpowiedniego do potrzeb danej osoby. Pierwszym z nich jest dobór elementów elektrycznych inkubatora. Alternatywne komponenty można wybrać na podstawie ceny lub lokalnej dostępności. W zależności od wybranego materiału i jego specyfikacji technicznej, inkubator może mieć zmienioną wydajność w porównaniu z przedstawionymi wynikami. Kolejnym krytycznym krokiem w protokole jest wybór materiału powłoki, który powinien być dokonany w oparciu o oczekiwany zakres temperatur otoczenia, lokalne zasilanie i dostępność materiałów. Przy niższych temperaturach otoczenia (< 25 °C) zaleca się stosowanie powłoki wykonanej z pianki polistyrenowej lub twardej chłodnicy w celu osiągnięcia ustawionej temperatury od 37 °C do 44,5 °C. Na podstawie przedstawionych danych eksperymentalnych można oczekiwać, że te zestawy osiągną zadaną temperaturę w ciągu 45 - 96 minut i zużywają 0,78 - 1,05 kWh/24 h w zimnym otoczeniu (3,5 do 7,5 °C). Pudełko kartonowe z kocem ratunkowym nie jest zalecane do użytku w niższych temperaturach otoczenia, ponieważ ten zestaw nigdy nie osiągnął stabilnej ustawionej temperatury w okresie obserwacji eksperymentalnej. W umiarkowanej temperaturze otoczenia (27 °C) dopuszczalne są wszystkie testowane typy skorup, przy czym zużycie energii obserwuje się nieco bardziej w przypadku konfiguracji kartonu. Przy wyższych temperaturach otoczenia (39 °C) przedstawione tutaj konstrukcje inkubatorów były podatne na przegrzanie, jeśli ustawiona temperatura była jeszcze wyższa (tj . 44,5 °C). Dlatego takie warunki wymagałyby urządzenia chłodzącego lub użycia w klimatyzowanej przestrzeni.

Koszt budowy prezentowanego tu inkubatora wynosił około 300 USD, przy założeniu, że materiały pozyskiwano w Szwajcarii. Koszty te mogą być jednak znacznie niższe w różnych lokalizacjach, zwłaszcza jeśli opłaty za wysyłkę podstawowych komponentów elektronicznych mogą być ograniczone do minimum. Modyfikacja różnych komponentów opisanych w protokole może jeszcze bardziej obniżyć koszty. Przedstawiony tutaj protokół jest ograniczony, ponieważ porównuje tylko trzy rodzaje materiałów skorupy w dwóch ustawionych temperaturach, a także weryfikację wzrostu drobnoustrojów tylko dla E. coli . Przyszłe badania powinny sprawdzić przydatność tej konstrukcji inkubatora w szerszym zakresie parametrów temperaturowych i przy użyciu dodatkowych mikrobiologicznych gatunków wskaźnikowych (np. Enterococcus) i patogenów (np. salmonella, Vibrio cholerae). Przyszłe badania powinny również koncentrować się na opracowaniu skutecznych technik chłodzenia w inkubatorze, co pozwoliłoby na jego stosowanie w ekstremalnie ciepłych warunkach (> 40 °C).

O ile nam wiadomo, nie ma innego znanego inkubatora polowego, który oferowałby elastyczną pojemność i można go łatwo zdemontować, a jednocześnie zachować przenośność i niski koszt. Ta innowacyjna alternatywa dla dostępnych na rynku inkubatorów zaspokaja potrzeby rządów i organizacji zajmujących się jakością wody i innymi celami testowymi opartymi na kulturach, w których dostępnych jest niewiele urządzeń laboratoryjnych. W połączeniu z prostym sprzętem do badania jakości wody, inkubator ten może pomóc praktykom o ograniczonych możliwościach w założeniu stałych lub sezonowych laboratoriów za rozsądną cenę. Dzięki zwiększeniu liczby laboratoriów w odległych obszarach, wysiłki zmierzające do prowadzenia regularnego nadzoru jakości wody lub punktualnego monitorowania działania systemu staną się coraz bardziej wykonalne.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Badania były wspierane przez Szwajcarską Agencję Współpracy na rzecz Rozwoju oraz program REACH finansowany przez UK Aid z brytyjskiego Departamentu Rozwoju Międzynarodowego (DFID) na rzecz krajów rozwijających się (Kod Barana 201880). Poglądy i informacje w nim zawarte niekoniecznie są poglądami lub są popierane przez te agencje, które nie mogą przyjąć żadnej odpowiedzialności za takie poglądy lub informacje ani za jakiekolwiek poleganie na nich. Autorzy dziękują również Arntowi Dienerowi za jego wkład we wczesne wersje prototypu inkubatora pianki polistyrenowej.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Folia grzewczaThermo2115337samoprzylepna 10x20 cm; Napięcie robocze 12V; Moc 20W
Wentylator osiowyYen Sun Technology Corp.FD126025MB6x6x2,5 cm; Napięcie robocze 12VDC; Moc 1,44W; Max. pobór prądu 60mA
Regulator temperatury PIDWachendorff Automation GmbH & Co. KGUR3274Sregulator PID 32x74 mm; Uniwersalne wejście dla sygnałów procesowych, termopary, Pt100; Napięcie robocze 24 VDC; Wyjścia (termostaty) przekaźnik 10 A, przekaźnik 5 A, SSR, RS 485
Czujnik temperatury Pt100Conrad198466Zakres temperatur -100° C do 200° C; Czujnik Pt100, typ FS-400P
Obudowa uniwersalnaOKW Gehä zastosowanie SystemC2012201Wymiary 200 x 120 x 60 mm
Przetwornica DC/DCTraco PowerTMDC 60-2412Napięcie znamionowe 24 VDC; Napięcie wejściowe 9-36 VDC; Napięcie wyjściowe 12 VDC; Max. prąd wyjściowy 5 A; Zasilacz sieciowy o mocy 60W
Bicker ElektronikBET-0612Napięcie wyjściowe 12 VDC; Max. prąd wyjściowy 5 A; Napięcie wejściowe 115-230 VAC
DystansSchä fer Elektromechanik20/4Bez gwintu; Rozmiar gwintu M4; Polistyren; Odległość 20 mm
Dławik kablowyWISKA10066410M12 x 1,5 cm; zakres mocowania 3 – 7 mm
Końcówka połyskuAdels Kontakt125312Prąd znamionowy 25 A; Napięcie znamionowe 500V
Śruba M4 x 50Bossard1579010M4 x 50 mm
Nakrętka M4Bossard1241478M4
Podkładka M4Bossard1887505M4
Śruba M3 x 25Bossard1211099M3 x 25 mm
Nakrętka M3Bossard1241443M3
Podkładka M3Bossard1887483M3
Płyta nośna -  - Materiał izolacyjny (plastik lub inny); 28 x 25 cm

Bibliografia

  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).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Niskokosztowy inkubatorkontrola temperaturyregulator PIDfolia grzewczawentylator osiowyobudowa inkubatorapob r mocywzrost mikroorganizm wlaboratorium terenowe

Powiązane artykuły