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.
Artykuł metodologiczny
Budowa niskokosztowego mobilnego inkubatora do użytku polowego i laboratoryjnego
W tym artykule
Podsumowanie
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 koliforki termotolerancyjne (TTC)) są najodpowiedniejszymi wskaźnikami zanieczyszczenia fekalnego wody pitnej3. Wykrywanie tych organizmów polega na przykład na filtrowaniu 10 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 opartych na hodowlach w warunkach terenowych stały się w ostatnich latach coraz bardziej istotne. W ramach Celu Zrównoważonego Rozwoju 6, Zadania 6.1, rządy zobowiązały się do regularnego raportowania jakości bakteriologicznej wody pitnej na poziomie krajowym4. Oprócz takich działań w zakresie nadzoru nad zdrowiem publicznym, monitorowanie operacyjne infrastruktury wodociągowej jest regularnie prowadzone na poziomie lokalnym lub regionalnym5. Kampanie nadzoru i monitorowania te często odbywają się w odległych lokalizacjach, gdzie wymagana infrastruktura laboratoryjna jest niewystarczająca lub niedostępna.6 Podobnie, metody oparte na hodowlach 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 specjalnie inkubatory polowe do użytku poza laboratorium, np. w ramach projektu Aquatest8, University of Bristol, Wielka Brytania; DelAgua9, Marlborough, Wielka Brytania; lub Aquagenx10, University of North Carolina, Stany Zjednoczone. Jednakże urządzenia te mają stosunkowo małą objętość, co ogranicza liczbę próbek, które można przetwarzać jednocześnie. Inkubatory polowe dostępne na rynku nie są również zaprojektowane do pracy w warunkach bardzo niskiej (< 20 °C) lub bardzo wysokiej (> 40 °C) temperatury otoczenia, co utrudnia ich zastosowanie w środowiskach pustynnych lub wysokogórskich. Dalsze alternatywne rozwiązania obejmują urządzenia do wyrabiania jogurtu11, pasy biodrowe oraz inkubatory z materiałami zmiennofazowymi12. Niemniej jednak takie niekonwencjonalne inkubatory mogą działać niezawodnie lub być uciążliwe w obsłudze1.
Istnieje zatem potrzeba stworzenia 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, energooszczędność oraz odporność na przerywane zasilanie) (Tabela 1). Celem niniejszego protokołu jest szczegółowe opisanie procesu budowy niskokosztowego inkubatora, zaprojektowanego w celu optymalizacji zalet modeli konwencjonalnych i terenowych przy użyciu powszechnie dostępnych materiałów.
| Charakterystyka | Laboratoryjne | Dziedzina | Zoptymalizowany |
| Intuicyjny projekt |  |  | |
| Duża pojemność | | | |
| Odporny na szeroki zakres temperatur otoczenia | | | |
| Utrzymuje stałą temperaturę | | | |
| Niski koszt | | | |
| Łatwy w transporcie | | | |
| Energooszczędny | | | |
| Odporny na przerywane zasilanie | | | |
Tabela 1: Charakterystyka dostępnych komercyjnie inkubatorów (laboratoryjnych i polowych) oraz podejścia zoptymalizowanego.
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. Protokół ten wyjaśnia konstrukcję elektronicznego rdzenia inkubatora, który może współpracować z różnymi obudowami inkubatorów. Pełną listę wszystkich komponentów wykorzystanych w protokole wraz z ich specyfikacjami technicznymi można znaleźć w Tabeli materiałów. Poniższy protokół przedstawia funkcjonalny przykład inkubatora polowego, jednak możliwe jest elastyczne zastosowanie różnych komponentów, o ile spełniają one wymagania elektryczne. Zastosowanie innych komponentów może wpłynąć na wydajność inkubatora. Zaleca się, aby konstrukcja i okablowanie komponentów elektrycznych były wykonywane przez osobę wykwalifikowaną w dziedzinie elektryki.
Protokół
1. Urządzenie grzewcze
- Przygotuj następujące elementy (Rysunek 1):
Płyta nośna (280 x 250 mm) z wymaganymi otworami kotwiącymi
Wentylator osiowy (60 x 60 x 25 mm); 2x
Dystans (długość 20 mm, średnica wewnętrzna 4,25 mm (M4)); 4x
Klucznica typu luster z trzema pinami
Nakrętka (M4); 4x oraz (M3); 1x
Podkładka (M4); 8x i (M3); 1x
Śruba (M4); 4x i (M3); 1x
Rycina 1: Poszczególne elementy jednostki grzejnej. Płyta podporowa, wentylatory osiowe, przestrzeń, zacisk typu luster, nakrętki do śrub, podkładki i śruby. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
- Wywierć wymagane otwory (Rycina 2) do płyty stabilizującej do zamocowania wentylatorów osiowych oraz terminal luster (Rysunek 1).
Rysunek 2: Schemat płyty wsporczej. Wskazówki dotyczące wiercenia otworów montażowych w płycie oporowej w celu zamocowania wentylatorów osiowych oraz zacisku Luster. Odległości podano w milimetrach. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
- Zamocuj wentylatory osiowe na środku płyty podporowej jak pokazano w Rysunek 3 za pomocą dwóch śrub M4, nakrętek i podkładek , , na wentylator. Należy użyć przekładek aby zachować odstęp między wentylatorami a płytą wsporczą (Rysunek 3).
- Zatwierdź zacisk lustra do płyty wspierającej używając śrub M3, nakrętek i podkładek. Przymocuj wentylatory do kabli.Rysunek 3).
- Podłącz kable wentylatorów do kostki zaciskowej. Połącz ze sobą dodatnie przewody każdego wentylatora oraz ujemne przewody każdego wentylatora (Rysunek 3). Czujnik prędkości nie jest wymagany.
Rycina 3: Wentylatory osiowe zamocowane na płycie wsporczej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
UWAGA: Kolory przewodów wspomniane w tekście odpowiadają tym przedstawionym na rycinach. Kolory przewodów mogą się różnić w zależności od zastosowanych materiałów.
2. Jednostka sterująca (zasilacz)
- Przygotuj następujące elementy:
Uniwersalna obudowa (w tym przypadku 20 x 120 x 60 mm, jednak wymiary będą zależeć od rozmiaru przetwornicy DC/DC i kontrolera temperatury PID)
Przełącznik włącz/wyłącz
Przetwornica DC/DC, zakres napięcia wejściowego 9–36 V, napięcie wyjściowe 12 V
regulator temperatury PID, napięcie zasilania 12–35 V prądu stałego
Przesmyk kablowy, M12 x 15 mm, zakres zaciskania 2 – 7,5 mm (lub zgodnie z zastosowanym kablem)
Czujnik temperatury Pt10
Zasilacz prądu przemiennego
UWAGA: Inkubator może być podłączony do sieci elektrycznej lub do akumulatora. W przypadku zasilania sieciowego wymagany jest zasilacz AC, a jeżeli urządzenie jest podłączone wyłącznie do sieci, konwerter DC/DC nie jest niezbędny. W przypadku zasilania z akumulatora wysoce zalecane jest zastosowanie konwertera DC/DC, a zamiast zasilacza AC wymagany jest kabel dwużyłowy. Niniejszy protokół przedstawia wersję z konwerterem DC/DC i zasilaczem AC. Schemat elektryczny rdzenia elektrycznego inkubatora szczegółowo opisano w materiale uzupełniającym (Rycina S1). - Wykonać otwory w obudowie pod regulator temperatury PID, przełącznik włącznik/wyłącznik oraz dławiki kablowe za pomocą wiertarki i wyrzynarki lub równoważnego narzędzia (Rysunek 4).
Rysunek 4: Schemat Uniwersalnej Obudowy. (a) Wskazówki dotyczące rozmieszczenia regulatora temperatury 
, przełącznik włącz/wyłącz 
oraz dławiki kablowe 
do komory uniwersalnej; odległości podano w milimetrach. (b) Widok 3D uniwersalnej obudowy. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
- Podłącz przetwornicę DC/DC do przełącznika włącznik/wyłącznik: połącz dodatni przewód zasilacza AC z przełącznikiem włącznik/wyłącznik, a ujemny przewód zasilacza AC z wejściem „- Vin” przetwornicy DC/DC (Rysunek 5).
- Użyj przewodu, aby połączyć przełącznik włącznik/wyłącznik z wejściem „+ Vin” przetwornicy DC/DC (Rysunek 5).
Rycina 5: Zamontowana jednostka sterująca. Uniwersalna obudowa z przetwornicą DC/DC podłączony do kontrolera temperatury PID oraz przełącznik włącz/wyłącz . Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
- Podłącz kable z jednostki grzejnej do kontrolera temperatury PID w następujący sposób (Rysunek 6):
- Podłącz zacisk „1” kontrolera temperatury PID do przewodu „DC –“ z przyłącza jednostki grzejnej oraz do zacisku „- Vout” przetwornicy DC/DC.
- Podłącz przewód „DC +” prowadzący do jednostki grzejnej do zacisku „4” kontrolera temperatury PID, a także do zacisku „2” kontrolera temperatury PID (patrz punkt 3.2).
- Podłącz zacisk „2” kontrolera temperatury PID do zacisku „+ Vout” przetwornicy DC/DC.
- Podłącz zacisk „5” kontrolera temperatury PID do przewodu „command” prowadzącego do jednostki grzejnej (patrz punkt 3.2).
- Podłącz czujnik temperatury do zacisków „10”, „1” i „12”.
UWAGA: Czerwony kabel czujnika temperatury musi być podłączony do zacisku „1” kontrolera temperatury PID.
- Przymocuj przetwornicę DC/DC za pomocą rzepów do dna obudowy, a następnie zamknij uniwersalną obudowę.
Rysunek 6: Połączenie przewodami przetwornicy DC/DC z regulatorem temperatury PID. przetwornica DC/DC , regulator temperatury PID , przyłącze do inkubatora (przewód A) oraz przyłącze do czujnika temperatury (przewód B). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.
UWAGA: Funkcje wykorzystanych zacisków regulatora temperatury PID podano w Tabeli 2.
| zacisk kontrolera temperatury PID | Funkcja |
| Terminal „1” | Proszę o dostarczenie tekstu źródłowego do przetłumaczania. |
| Terminal „2” | Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. |
| 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
- Przygotuj następujące elementy:
Jednostka grzewcza z sekcji 1
Jednostka kontrolna z sekcji 2
Folie grzewcze, samoprzylepne, 10 x 200 mm, 12 V/20 W, 2x - Podłącz kable połączeniowe z jednostki sterującej do jednostki grzewczej w następujący sposób (Rysunek 7):
- Podłącz „DC-przewód z jednostki sterującej z jednym przewodnikiem z każdej z folii grzewczych oraz przewód ujemny każdego wentylatora.
- Podłącz „DC+przewód wychodzący z jednostki sterującej z dodatnim kablem każdego wentylatora.
- Podłącz „polecenieprzewód z jednostki sterującej do pozostałych dwóch przewodników folii grzewczych.
Rysunek 7: Połączenie przewodów folii grzewczych z regulatorem temperatury PID. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
UWAGA: Ukończony rdzeń elektryczny inkubatora polowego przedstawiono na Rysunku 8.
Rycina 8: Kompletny rdzeń elektryczny inkubatora polowego. Jednostka grzewcza , jednostka kontrolna oraz sonda temperatury . Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
4. Montaż inkubatora
- Przygotuj następujące elementy:
Rdzeń elektryczny inkubatora
Obudowa inkubatora (w tym przypadku pudełko ze styropianu, lecz może to być dowolny rodzaj pudełka wykonanego z materiału izolacyjnego)
Stojak wspierający (tutaj stojak metalowy, lecz może być wykonany z innego materiału) - Złóż elementy inkubatora w następujący sposób (Rysunek 9):
- Ułożyć obudowę inkubatora na boku, tak aby otwór inkubatora (drzwiczki) znajdował się z boku.
- Umieść płytę wsporczą z jednostką grzewczą na dnie obudowy inkubatora.
- Umieść stelaż wsporczy nad jednostką grzewczą, zachowując odstęp co najmniej 10 cm pomiędzy jednostką grzewczą a stelażem wsporczym.
- Umieść sondę temperatury na stojaku i zabezpiecz ją w inkubatorze.
- Wywierć otwory w drzwiach inkubatora, aby umożliwić wprowadzenie kabli (Rycina 9).
- Podłącz inkubator do źródła zasilania.
- Włącz inkubator i dostosuj ustawienia sterownika temperatury PID (patrz Tabela S1 (szczegółowe ustawienia znajdują się w materiałach uzupełniających).
Rycina 9: Kompletna inkubator polowy. Otwarty (lewo) i zamknięty (prawo). Jednostka grzewcza , statyw wspierający , sonda temperaturowa , jednostka sterująca 
obudowa inkubatora 
or otworami na kable w obudowie inkubatora (obszar zaznaczony okręgiem). Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
UWAGA: Obudowa inkubatora może być wykonana z dowolnego materiału. Zaleca się stosowanie materiału izolacyjnego oraz zapewnienie szczelnego zamknięcia pudełka, aby uniknąć utraty ciepła. Raki wsporcze powinny posiadać duże otwory, aby zapobiec gromadzeniu się ciepła wewnątrz, a jako materiał można zastosować metal lub inne tworzywa (np. plastik).
Wyniki
Niezawodność wytrzymałej inkubatora polowego zależy od jego zdolności do osiągnięcia i utrzymania zadanej temperatury w różnych warunkach. Aby monitorować wydajność różnych konfiguracji inkubatorów, wykonano następujące pomiary: czas potrzebny do osiągnięcia zadanej temperatury, efekt otwarcia drzwiczek na jedną minutę, zużycie energii podczas 24 godzin pracy, stabilność temperatury wewnętrznej w ciągu 24 godzin pracy oraz obserwacja wzrostu E. coli. Temperaturę wewnątrz inkubatora mierzono w każdej minucie za pomocą 4 rejestratorów temperatury umieszczonych 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 inkubacji E. coli.13
Rdzeń elektroniczny przetestowano z trzema typami obudów, wykorzystując materiały powszechnie dostępne w wielu krajach: pudełko ze styropianu (78 litrów), sztywną plastikową lodówkę turystyczną (30 litrów) oraz kartonowe pudełko wyłożone kocem termicznym (46 litrów) (Rysunek 10). Aby objąć zakres warunków otoczenia, z jakimi można się spotkać w terenie, te konfiguracje inkubatorów testowano w trzech temperaturach otoczenia: umiarkowanej (około 27 °C), zimnej (około 3,5 °C i 7,5 °C) oraz gorącej (około 39 °C). Parametry wydajności testowano, ustawiając temperaturę wewnętrzną na 37 °C i 4,5 °C.
Czas osiągnięcia 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 1a i Rycina 12a) i porównywalne z wydajnością standardowej inkubatora (Tabela 3). W środowiskach zimnych (3.5 °C i 7.5 °C), inkubatory z grubszymi skorupkami, t.j. pianka polistyrenowa i skrzynka chłodnicza osiągnęły docelowe temperatury nastawcze (37 °C i 44.5 °C) w podobnym czasie; około czterokrotnie dłużej niż w temperaturze otoczenia wynoszącej 27 °CZe względu na słabszą izolację, pudełko kartonowe z kocem ratunkowym nigdy nie osiągnęło w pełni ustawionych temperatur w warunkach niskiej temperatury otoczenia (Rycina 1b i Rycina 12b). W ciepłym środowisku (39 °C), trzy konfiguracje inkubatora osiągnęły temperaturę docelową wynoszącą 44.5 °C w czasie krótszym niż 10 minut (Rysunek 12c). Jednakże, gdy ustawiona temperatura wynosiła 37 °C, tj. niższa niż temperatura otoczenia, żaden z inkubatorów nie był w stanie obniżyć temperatury, co doprowadziło do przegrzania w przypadku wszystkich trzech konfiguracji inkubatorów (Rysunek 1c).
Temperatura otoczenia oraz rodzaj obudowy inkubatora wpływały na skutki otwarcia drzwi inkubatora na jedną minutę. Utrata ciepła była większa w zimnym środowisku, a czas powrotu do ustawionych temperatur wewnętrznych był dłuższy, z wyjątkiem inkubatora w pudełku tekturowym, w którym ustawione temperatury nigdy nie zostały osiągnięte (Rysunek 13b oraz Rysunek 14b). W cieplejszych środowiskach utrata ciepła była ograniczona, a ustawione temperatury zostały przywrócone w czasie krótszym niż 10 minut (Rysunek 13a,c oraz Rysunek 14a,c). Przy temperaturze otoczenia 39 °C i ustawionej temperaturze 37 °C otwarcie drzwi nie wywołało ani nie zmniejszyło przegrzania inkubatorów (Rysunek 13c).
Zużycie energii wzrastało w niskich temperaturach otoczenia oraz wraz ze zwiększaniem zadanej temperatury. Inkubatory o lepszej izolacji obudowy (pianka polistyrenowa i lodówka turystyczna) wykazały niższe zużycie energii w porównaniu do inkubatora z kartonowego pudełka. W podobnych warunkach (temperatura otoczenia około 27 °C) trzy konfiguracje inkubatorów zużyły od 0,2 do 0,52 kWh/24h mniej energii niż testowane standardowe inkubatory (Tabela 3).
Temperatura w inkubatorze pozostawała stabilna przez 24 godziny dla wszystkich przetestowanych typów obudów inkubatora oraz temperatur otoczenia (Rycina 13 i Rycina 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 od temperatury zadanej (37 °C) (Rycina 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 próbki 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 przebiegał pomyślnie i był porównywalny do wzrostu zaobserwowanego w inkubatorze standardowym. Podsumowanie konfiguracji inkubatorów i badanych warunków temperatury otoczenia wraz z wynikami przedstawiono w Tabeli 3.
| Test 1: Czas ustawienia temperatury | Test 2: Otwieranie bocznych drzwi przez jedną minutę | Test 3: Zużycie energii w okresie 24 godzin | Test 4: Zmienność temperatury w ciągu 24 godzin | Test 5: *E. coli* zaobserwowany wzrost | |||
| Temperatura otoczenia | Ustawienie temperatury | (min) | Maksymalna utrata temperatury (°C); czas powrotu do ustawionej temperatury (min) | (kWh/24 h) | Bezwzględna temperatura maksymalna (°C); absolutna temperatura minimalna (°C) * | (Tak / Nie) | |
| Styropianowe pudełko | 3.5 °C | 37 °C | 45 | 10 °C; 17 min | 0.78 | 37; 35.5 | Tak |
| 7.5 °C | 44.5 °C | 74 | 16.5 °C; 31 min | 0.89 | 44.5; 42.5 | ND† | |
| 27 °C | 37 °C | 12 | 2.5 °C; 3 min | 0.28 | 37.5; 36.5 | Tak | |
| 44.5 °C | 20 | 4.5 °C; 7 min | 0.43 | 44.5; 43.5 | ND† | ||
| 39 °C | 37 °C | 0 (przegrzanie) | 2 °C; 0 min (przegrzanie) | 0.11 | 42.5; 42 | Tak | |
| 44.5 °C | 7 | 3.5 °C; 5 min | 0.17 | 45; 43.5 | ND† | ||
| Twarda lodówka turystyczna | 3.5 °C | 37 °C | 54 | 8 °C; 10 min | 0.86 | 37.5; 36 | Tak |
| 7.5 °C | 44.5 °C | 96 | 12 °C; 30 min | 1.05 | 45; 43 | ND† | |
| 27 °C | 37 °C | 13 | 1.5 °C; 0 min | 0.27 | 37.5; 36.5 | Tak | |
| 44.5 °C | 25 | 2 °C; 4 min | 0.50 | 45; 43.5 | ND† | ||
| 39 °C | 37 °C | 0 (przegrzanie) | 1 °C; 0 min (przegrzanie) | 0.11 | 43; 42.5 | Tak | |
| 44.5 °C | 9 | 4 °C; 3 min | 0.19 | 45.5; 44.5 | ND† | ||
| Kartonowe pudełko z kocem termicznym | 3.5 °C | 37 °C | Nigdy nie osiągnięto (stabilna temperatura po 109 min) | 6.5 °C; stabilna temperatura po 30 min | 1.24 | 33.5; 30.5 | Tak |
| 7.5 °C | 44.5 °C | Nigdy nie osiągnięto (stabilna temperatura po 120 min) | 8 °C; stabilna temperatura po 20 min | 1.28 | 36.5; 32 | ND† | |
| 27 °C | 37 °C | 15 | 2.5 °C; 6 min | 0.42 | 36.5; 35.5 | Tak | |
| 44.5 °C | 24 | 3 °C; 8 min | 0.70 | 44.5; 42.5 | ND† | ||
| 39 °C | 37 °C | 0 (przegrzanie) | 1.5 °C; 0 min (przegrzanie) | 0.11 | 41.5; 40 | Tak | |
| 44.5 °C | 9 | 2 °C; 0 min | 0.20 | 45; 43.5 | ND† | ||
| Standardowa inkubator | 27 °C | 37 °C | 18 | 1 °C; 0 min (przegrzanie) | 0.64 | 38.5; 36 | ND† |
| 44.5 °C | 23 (przegrzanie) | 2.5 °C; 0 min | 0.95 | 47.5; 43.5 | ND† |
Tabela 3: Podsumowanie wyników dla przetestowanych konfiguracji inkubatorów i warunków temperatury otoczenia. *Test 4: Bezwzględne temperatury maksymalne i minimalne zarejestrowane podczas okresów stabilnych, t.j. od 10 minut po zakończeniu zdarzenia zaburzającego (czas osiągnięcia temperatury zadanej, otwarcie drzwi). †ND: Brak danych, test nie został przeprowadzony.
Rycina 10: Przetestowane obudowy inkubatorów. Otwarte (górny rząd) i zamknięte (dolny rząd). Styropianowe pudełko (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 standardową kocem termicznym o grubości 12 µm złożony dwukrotnie, wymiary zewnętrzne 30 x 42 x 37 cm. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina 1: Czas osiągnięcia temperatury zadanej (37 °C) konfiguracji inkubatorów w różnych warunkach temperatury otoczenia. Wydajność inkubatorów z obudową wykonaną z pudełka ze styropianu, sztywnego pojemnika chłodzącego oraz pudełka tekturowego pokrytego kocem termicznym. W temperaturze pokojowej (a), niska temperatura otoczenia (b)oraz ciepła temperatura otoczenia (c)Temperatury zarejestrowane na półce wsporczej inkubatorów. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 12: Czas osiągnięcia temperatury zadanej (44.5 °C) konfiguracji inkubatorów w różnych warunkach temperatury otoczenia. Wydajność inkubatorów z obudową wykonaną z pudełka ze styropianu, sztywnej torby termoizolacyjnej oraz pudełka tekturowego pokrytego kocem termicznym. W temperaturze pokojowej (a), niska temperatura otoczenia (b), oraz ciepła temperatura otoczenia (c)Temperatury odnotowane na statywie wspierającym inkubatory. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 13: Wariacje temperatury w okresie 24-godzinnym i wpływ otwierania drzwi w różnych warunkach temperatury otoczenia. Ustawiona temperatura 37 °C. Wydajność inkubatorów z obudową wykonaną z pudełka ze styropianu, twardego pojemnika chłodzącego oraz kartonowego pudełka pokrytego kocem termicznym. W temperaturze pokojowej (a), niska temperatura otoczenia (b), oraz ciepła temperatura otoczenia (c)Zaznaczone kółkiem obszary wskazują wahania temperatury wynikające z otwarcia drzwi na jedną minutę. Temperatury zarejestrowano na półce wsporczej inkubatorów. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.
Rysunek 14: Zmiany temperatury w ciągu 24 godzin i wpływ otwierania drzwi w różnych warunkach temperatury otoczenia. Ustawiona temperatura 44.5 °C. Wydajność inkubatorów z obudową wykonaną z pudełka ze styropianu, twardego pojemnika chłodzącego oraz pudełka tekturowego pokrytego kocem ratunkowym. W temperaturze pokojowej (a), niska temperatura otoczenia (b), i ciepła temperatura otoczenia (c)Zakreślone obszary pokazują zmiany temperatury wynikające z otwarcia drzwi na jedną minutę. Temperatury zarejestrowane na półce wsporczej inkubatorów. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina S1: Schemat elektryczny okablowania rdzenia elektrycznego inkubatora. Wskazano alternatywy dla zasilania z sieci oraz zasilania bateryjnego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
| Parametr | Wybrana wartość | |||||
| 1 | Rodzaj wyjścia sterującego | Sterowanie Q1 / Alarm Q2 | ||||
| 2 | Typ podłączonego czujnika | Pt10 (-20 do 140°C) | ||||
| 3 | Możliwość wyboru dolnej granicy wartości zadanej | 0 | ||||
| 4 | Górna granica możliwa do wyboru dla wartości zadanej | 50 | ||||
| 5 | Rodzaj kontroli | Ogrzewanie | ||||
| 6 | Histereza włącz/wyłącz lub pasmo martwe dla sterowania PID | 0 | ||||
| 7 | proporcjonalna szerokość pasma procesu wyrażona w jednostkach (°C jeśli temperatura) | 1 | ||||
| 8 | Czas całkowania. Bezwładność procesu wyrażona w sekundach | 80.0 | ||||
| 9 | Czas różniczkowania dla regulatora P.I.D. | 20.0 | ||||
| 10 | Czas cyklu dla wyjścia z proporcjonalnym podziałem czasu | 10 | ||||
| 11 | Zezwalaj/blokuj modyfikację wartości zadanych za pomocą klawiatury przedniej | Umożliwienie modyfikacji wszystkich wartości zadanych | ||||
| 12 | Filtr programowy. Liczba odczytów do obliczenia wartości porównawczej PV-SPV | 10 | ||||
| 13 | Stopień naukowy | °C | ||||
| 14 | Rodzaj cieczy chłodzącej | Powietrze | ||||
Tabela S1: Ustawienia regulatora 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
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Folia grzewcza | Thermo | 2115337 | samoprzylepna 10x20 cm; Napięcie robocze 12V; Moc 20W |
| Wentylator osiowy | Yen Sun Technology Corp. | FD126025MB | 6x6x2,5 cm; Napięcie robocze 12VDC; Moc 1,44W; Max. pobór prądu 60mA |
| Regulator temperatury PID | Wachendorff Automation GmbH & Co. KG | UR3274S | regulator 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 Pt100 | Conrad | 198466 | Zakres temperatur -100° C do 200° C; Czujnik Pt100, typ FS-400P |
| Obudowa uniwersalna | OKW Gehä zastosowanie System | C2012201 | Wymiary 200 x 120 x 60 mm |
| Przetwornica DC/DC | Traco Power | TMDC 60-2412 | Napięcie znamionowe 24 VDC; Napięcie wejściowe 9-36 VDC; Napięcie wyjściowe 12 VDC; Max. prąd wyjściowy 5 A; Zasilacz sieciowy o mocy 60W |
| Bicker Elektronik | BET-0612 | Napięcie wyjściowe 12 VDC; Max. prąd wyjściowy 5 A; Napięcie wejściowe 115-230 VAC | |
| Dystans | Schä fer Elektromechanik | 20/4 | Bez gwintu; Rozmiar gwintu M4; Polistyren; Odległość 20 mm |
| Dławik kablowy | WISKA | 10066410 | M12 x 1,5 cm; zakres mocowania 3 – 7 mm |
| Końcówka połysku | Adels Kontakt | 125312 | Prąd znamionowy 25 A; Napięcie znamionowe 500V |
| Śruba M4 x 50 | Bossard | 1579010 | M4 x 50 mm |
| Nakrętka M4 | Bossard | 1241478 | M4 |
| Podkładka M4 | Bossard | 1887505 | M4 |
| Śruba M3 x 25 | Bossard | 1211099 | M3 x 25 mm |
| Nakrętka M3 | Bossard | 1241443 | M3 |
| Podkładka M3 | Bossard | 1887483 | M3 |
| Płyta nośna | - | - | Materiał izolacyjny (plastik lub inny); 28 x 25 cm |
Bibliografia
- 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).
- Köster, W., et al. Analytical methods for microbiological water quality testing. Assessing Microbial Safety of Drinking Water. , 237-277 (2003).
- World Health Organization (WHO). Guidelines for Drinking Water Quality. , 4th Edition, WHO Press. Geneva. (2011).
- World Health Organization (WHO). Safely Managed Drinking Water - Thematic Report on Drinking Water. , WHO Press. Geneva. (2017).
- 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).
- 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).
- Malkin, R. A. Design of health care technologies for the developing world. Annual Review of Biomedical Engineering. 9 (1), 567-587 (2007).
- 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).
- DelAgua Water Testing Ltd. DelAgua Portable Water Testing Kit: User Manual Version 5.0. , Marlborough, UK. (2015).
- Aquagenx LLC. Portable Incubator Fabrication Instructions. , Chapel Hill, NC. (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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