Budowa niskokosztowego mobilnego inkubatora do użytku polowego i laboratoryjnego
19 marca 2019
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.
Inkubatory są niezbędne w wielu metodach mikrobiologicznych, w szczególności w analizie wody pitnej opartej na kulturach. W tym zakresie odpowiadamy na zapotrzebowanie na tanie inkubatory do użytku w lokalizacjach o ograniczonej infrastrukturze. Szczegółowo omówimy budowę adaptowalnego, taniego inkubatora przenośnego przy użyciu powszechnie dostępnych materiałów.
Ten inkubator działa w różnych warunkach środowiskowych i działa podobnie do modeli laboratoryjnych. Metoda ta może być stosowana do wszelkich czynności wymagających inkubatora, który może utrzymać stałą temperaturę w miejscach z niezawodnym dostępem do energii elektrycznej z sieci lub bez niej. Możliwe jest użycie innych komponentów niż opisane tutaj, o ile spełniają one wymagania elektryczne, chociaż różne komponenty mogą mieć wpływ na działanie inkubatora.
Głównymi wynalazcami tej wersji inkubatora są Jurg Sigrist i Christian Ebi, technicy z naszych laboratoriów. Przed montażem urządzenia grzewczego należy zebrać jedną płytę nośną o wymiarach 280 na 250 milimetrów, dwa wentylatory osiowe o wymiarach 60 na 60 na 25 milimetrów, cztery przekładki o długości 20 milimetrów i średnicy wewnętrznej 4,25 milimetra, jeden zacisk połyskowy z trzema kołkami, cztery nakrętki śrubowe M4 i jedną nakrętkę M3, osiem podkładek M4 i jedną M3 oraz cztery M4 i jedną M3. Następnie wywierć odpowiednie otwory kotwiące w płycie nośnej, aby zamocować wentylatory osiowe i końcówkę połysku.
Po wywierceniu wszystkich otworów użyj dwóch M4, dwóch nakrętek śrubowych i czterech podkładek na wentylator, aby zakotwiczyć wentylatory osiowe na środku płyty nośnej, używając przekładek do zachowania przestrzeni między wentylatorami a płytą nośną. Użyj M3, nakrętek śrubowych i podkładki, aby zakotwiczyć zacisk połysku do płyty nośnej i zabezpiecz wentylatora. Następnie połącz wentylatora z zaciskiem połysku.
Połącz ze sobą dodatni i ujemny każdego wentylatora. Aby zmontować jednostkę sterującą, należy zmontować uniwersalną obudowę, włącznik/wyłącznik, przetwornicę DC/DC o zakresie napięcia wejściowego od dziewięciu do 36 woltów i napięciu wyjściowym 12 woltów, proporcjonalny całkowy pochodny regulatora temperatury o napięciu roboczym prądu stałego od 12 do 35 woltów, dławik kablowy o średnicy od 12 do 15 milimetrów o zakresie zaciskania od dwóch do 7,5 milimetra, czujnik temperatury platinum 100 i zasilacz sieciowy. Za pomocą wiertarki i wyrzynarki wyfrezuj otwory regulatora temperatury PID, włącznika / wyłącznika i dławików kablowych w obudowie, a następnie umieść włącznik/wyłącznik i dławiki kablowe.
Podłącz dodatni zasilacza sieciowego do włącznika/wyłącznika, a ujemny zasilacza sieciowego do ujemnego napięcia wejściowego przetwornicy DC/DC. Użyj, aby podłączyć włącznik/wyłącznik do dodatniego voltage wejście przetwornicy DC/DC. Podłączyć pierwszy zacisk regulatora temperatury PID do ujemnego przewodu DC z przyłącza urządzenia grzewczego oraz do ujemnego zacisku wyjściowego przetwornicy DC/DC.
Podłącz dodatni przewód DC podłączony do urządzenia grzewczego do czwartego zacisku regulatora temperatury PID i do drugiego zacisku regulatora temperatury PID. Podłączyć drugi zacisk regulatora temperatury PID do dodatniego zacisku wyjściowego napięcia przetwornicy DC/DC. I podłącz zacisk piąty regulatora temperatury PID do przewodu sterującego podłączonego do urządzenia grzewczego.
Podłącz czujnik temperatury do zacisków 10, 11 i 12. Następnie za pomocą taśmy rzepowej zakotwiczyć przetwornicę DC/DC do dolnej części obudowy i zamknąć obudowę uniwersalną. Aby skonfigurować rdzeń elektryczny inkubatora, zbierz dwie samoprzylepne folie grzewcze o wymiarach 100 na 200 milimetrów i napięciu 12 V i mocy 20 watów i podłącz ujemny przewód prądu stałego z jednostki sterującej do zacisku połysku oraz z jednym przewodem każdej z folii grzewczych i przewodem ujemnym każdego wentylatora.
Następnie podłącz przewód dodatni wychodzący z jednostki sterującej z dodatnim każdego wentylatora. I podłącz przewód sterujący z jednostki sterującej do pozostałych dwóch przewodów folii grzewczych. Aby zmontować inkubator, zbierz obudowę inkubatora i stojak nośny.
Umieść skorupę inkubatora na boku z drzwiami inkubatora po jednej stronie skorupy inkubatora i umieść płytę nośną z jednostką grzewczą na dnie obudowy inkubatora. Umieść stojak nośny na górze urządzenia grzewczego, pozostawiając co najmniej 10 centymetrów między urządzeniem grzewczym a stojakiem nośnym. Umieść sondę temperatury na stojaku i zabezpiecz ją.
Wywierć otwory w drzwiach inkubatora, aby umożliwić wprowadzenie. Zamknij szczelnie inkubator i podłącz inkubator do źródła zasilania. Następnie włącz inkubator i dostosuj ustawienia regulatora temperatury PID zgodnie z potrzebami doświadczalnymi.
W przypadku reprezentatywnych konfiguracji inkubatorów czas osiągnięcia ustawionej temperatury w inkubatorach zależał od temperatury otoczenia i materiału, z którego wykonana jest powłoka inkubatora. Przy temperaturze otoczenia wynoszącej około 27 stopni Celsjusza trzy konfiguracje inkubatora osiągnęły zadaną temperaturę w podobnym czasie z wydajnością standardowego inkubatora. W zimnym otoczeniu inkubatory z grubszymi powłokami osiągały docelowe temperatury ustawione wolniej niż w normalnej temperaturze otoczenia, ale w podobnym czasie względem siebie, podczas gdy inkubator z cieńszą izolacją nigdy nie osiągał w pełni ustawionych temperatur.
W ciepłym otoczeniu trzy konfiguracje inkubatora osiągnęły docelową temperaturę w czasie poniżej 10 minut. Jednak gdy ustawiona temperatura 37 stopni Celsjusza była niższa niż temperatura otoczenia wynosząca 39 stopni Celsjusza, żaden z inkubatorów nie mógł obniżyć temperatury, co powodowało przegrzanie wszystkich trzech konfiguracji inkubatora. W podobnych warunkach trzy konfiguracje inkubatorów zużywały od 0,22 do 0,52 kilowatogodzin na 24 godziny mniej energii niż testowane standardowe inkubatory, a we wszystkich konfiguracjach i warunkach wzrost E. coli i całkowitej grupy coli był pomyślny i porównywalny ze wzrostem obserwowanym w standardowych inkubatorach.
Wybór powłoki ma kluczowe znaczenie. Inkubator z bardziej izolacyjną powłoką będzie działał lepiej pod względem czasu osiągnięcia zadanej temperatury oraz zużycia energii. Zaleca się, aby budowa i okablowanie elementów elektrycznych były wykonywane przez osobę wykwalifikowaną w dziedzinie elektryki.
Przegląd
Niniejsza praca przedstawia metodę konstrukcji niedrogiego, adaptacyjnego i transportowalnego inkubatora do badań mikrobiologicznych wody pitnej. Projekt wykorzystuje powszechnie dostępne materiały i umożliwia pracę w różnych warunkach środowiskowych, zachowując wydajność porównywalną z modelami laboratoryjnymi.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Badania mikrobiologiczne
- Nauki o środowisku
- Projektowanie sprzętu laboratoryjnego
Wstęp
- Inkubatory są kluczowe dla analiz opartych na hodowlach drobnoustrojów.
- Istnieje zapotrzebowanie na przystępne cenowo inkubatory w regionach z ograniczoną infrastrukturą.
- Istniejące modele często opierają się na sieci elektrycznej.
- Niniejsze badanie ma na celu rozwiązanie tych problemów poprzez zastosowanie nowej konstrukcji.
Cel badania
- Opracowanie niedrogiego inkubatora do testów mikrobiologicznych.
- Zapewnienie możliwości adaptacji do różnych warunków terenowych.
- Zapewnienie rozwiązania dla lokalizacji pozbawionych niezawodnego dostępu do energii elektrycznej.
Zastosowane metody
- Konstrukcja inkubatora z wykorzystaniem powszechnie dostępnych materiałów.
- Szczegółowe instrukcje montażu jednostki grzewczej i jednostki sterującej.
- Testowanie wydajności inkubatora w różnych warunkach środowiskowych.
- Porównanie zużycia energii ze standardowymi inkubatorami.
Główne wyniki
- Inkubator skutecznie utrzymywał temperaturę w różnych warunkach.
- Wydajność była porównywalna z wydajnością standardowych inkubatorów laboratoryjnych.
- Zużycie energii było niższe niż w przypadku testowanych standardowych inkubatorów.
- Osiągnięto sukcesywny wzrost E. coli oraz całkowitej liczby bakterii grupy coli.
Wnioski
- Konstrukcja inkubatora jest odpowiednia do zastosowań terenowych w badaniach mikrobiologicznych.
- Stanowi ona kosztowo efektywną alternatywę dla tradycyjnych modeli.
- Dalsza optymalizacja może poprawić wydajność w ekstremalnych warunkach.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ten niskokosztowy, transportowy inkubator rozwiązuje krytyczne braki w infrastrukturze podczas terenowych badań mikrobiologicznych, umożliwiając niezawodne monitorowanie jakości wody w warunkach ograniczonych zasobów. Jego zdolność do adaptacji do różnych źródeł zasilania i materiałów obudowy wspiera zdecentralizowane procesy testowe, zmniejszając zależność od laboratoriów centralnych. Konstrukcja ta ułatwia wczesny nadzór środowiskowy oraz ocenę ryzyka dla zdrowia publicznego, zapewniając spójne warunki hodowli dla testów wzrostu drobnoustrojów.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne Etapy Odkrywania i Walidacja Celów
- Wartość naukowa: Umożliwia powtarzalne warunki wzrostu mikroorganizmów podczas wstępnego przesiewowego badania patogenów przenoszonych przez wodę w próbkach środowiskowych.
- Wartość operacyjna: Wspiera zdecentralizowane przetwarzanie próbek, skracając czas oczekiwania na wstępną detekcję mikrobiologiczną w warunkach terenowych.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Zapewnia zestandaryzowaną platformę do walidacji analiz opartych na hodowlach w zmiennych warunkach środowiskowych.
- Wartość operacyjna: Gwarantuje powtarzalność analiz w różnych lokalizacjach terenowych dzięki stabilnej kontroli temperatury, niezależnie od niezawodności sieci energetycznej.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wspiera ciągłość translacyjną, umożliwiając wykorzystanie danych z monitoringu środowiskowego w modelach ryzyka przedklinicznego dotyczących narażenia na choroby przenoszone przez wodę.
- Wartość operacyjna: Ułatwia skalowalne wdrożenie w podłużnych badaniach terenowych wymagających powtarzalnej kwantyfikacji mikroorganizmów w czasie.
Integracja potoków i przepływów pracy
Inkubator wpisuje się w procesy robocze w zakresie mikrobiologii środowiskowej, wspomagając przygotowanie próbek do enumeracji drobnoustrojów przed późniejszą identyfikacją lub badaniem wrażliwości.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia weryfikację hipotez dotyczących obecności i stężenia mikroorganizmów w ujęciach wody w warunkach rzeczywistych.
- Przesiewanie: Dostarcza ilościowych, powtarzalnych wyników wzrostu, niezbędnych do porównywania obciążenia mikrobiologicznego w różnych zestawach próbek.
- Analityka: Generuje dane dotyczące jednostek tworzących kolonie, które mogą być normalizowane i porównywane w różnych punktach czasowych lub lokalizacjach geograficznych.
- Badania translacyjne: Łączy nadzór środowiskowy z modelowaniem ryzyka zdrowotnego poprzez dostarczanie wiarygodnych danych o obciążeniu mikrobiologicznym.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Zaprojektowana jako modułowa, wielokrotnego użytku platforma, którą można dostosować do wielu lokalizacji terenowych i kampanii testowych.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w detekcji mikroorganizmów środowiskowych poprzez zapewnienie spójności warunków hodowlanych.
- Wartość operacyjna: Poprawia standaryzację i skalowalność testów mikrobiologicznych w rozproszonych laboratoriach terenowych.
- Wartość strategiczna: Poprawia efektywność kapitałową poprzez umożliwienie niskokosztowego wdrażania możliwości testowych w regionach niedostatecznie obsługiwanych.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację interwencji w zakresie bezpieczeństwa wody, skorygowaną o ryzyko, w oparciu o zwalidowane wyniki wzrostu drobnoustrojów.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga podstawowej biegłości w dziedzinie elektroniki w celu bezpiecznego montażu komponentów grzejnych, sterujących i czujników.
- Zależność od dostępu do źródeł zasilania 12V, takich jak akumulatory, panele słoneczne lub adaptery samochodowe, w przypadku pracy poza siecią elektryczną.
- Konieczność standaryzacji właściwości izolacyjnych obudowy inkubatora w celu zapewnienia spójnej wydajności we wszystkich wariantach zastosowania.
- Wymaga rozważenia modyfikacji podczas skalowania do większych objętości lub w przypadku ekstremalnych temperatur otoczenia wykraczających poza zakresy testowe.
- Ograniczenie do zastosowań wymagających temperatur do maksymalnej wydajności folii grzewczej; urządzenie nie nadaje się do chłodzenia poniżej temperatury otoczenia bez wprowadzenia modyfikacji.
