Artigo de método

Construção de uma incubadora móvel de baixo custo para o campo e uso em laboratório

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DOI:

10.3791/58443

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19 de março de 2019

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

Neste artigo

Resumo

Este documento descreve um método para a construção de uma incubadora adaptável, baixo custo e transportável para testes microbianos de água potável. Nosso projeto é baseado em materiais amplamente disponíveis e pode operar sob uma variedade de condições de campo, enquanto continua a oferecer as vantagens dos modelos high-end de base laboratorial.

Resumo

Incubadoras são essenciais para uma gama de métodos microbianas baseados em cultura, tais como a filtração em membrana seguida de cultivo para avaliar a qualidade da água potável. No entanto, incubadoras disponíveis comercialmente são muitas vezes dispendiosos, difíceis de transportar, não flexível em termos de volume, e/ou mal adaptadas às condições locais de campo onde o acesso à eletricidade é confiável. O objetivo deste estudo foi desenvolver uma incubadora adaptável, baixo custo e transportável que pode ser construída usando componentes prontamente disponíveis. O núcleo eletrônico da incubadora foi desenvolvido pela primeira vez. Então, esses componentes foram testados sob uma variedade de condições de temperatura ambiente (3,5 ° C a 39 ° C), usando três tipos de conchas de incubadora (caixa de espuma de poliestireno, caixa do refrigerador da difícil e caixa de papelão coberta com um cobertor de sobrevivência). O núcleo eletrônico mostrou desempenho comparável a uma incubadora de laboratório padrão em termos de tempo necessário para atingir a temperatura definida, estabilidade de temperatura interna e dispersão espacial, consumo de energia e crescimento microbiano. As instalações da incubadora também eram eficazes em ambientes com temperatura moderadas e baixas (entre 3,5 ° C e 27 ° C), e em altas temperaturas (39 ° C) quando a incubadora conjunto temperatura foi maior. Este protótipo de incubadora é de baixo custo (< 300 USD) e adaptável a uma variedade de materiais e volumes. Sua estrutura desmontável torna fácil de transportar. Ele pode ser usado em ambos os laboratórios estabelecidos com a rede de energia ou em configurações remotas, alimentadas por energia solar ou uma bateria de carro. É particularmente útil como uma opção de equipamentos para laboratórios de campo em áreas com acesso limitado aos recursos para monitoramento de qualidade de água.

Introdução

Métodos baseados em cultura para a detecção de contaminantes microbianos são a estado-de-arte para análise de qualidade de água em ambos os industrializados e os países em desenvolvimento1,2. Microorganismos existem em muitos ambientes e requerem condições de temperatura diferentes para o crescimento ideal. Portanto, criar um ambiente de temperatura estável incubação é uma pré-condição para a detecção confiável de contaminantes microbianos de preocupação na água potável. De acordo com a Organização Mundial de saúde, Escherichia coli (e. coli) (ou, alternativamente, coliformes termotolerantes (TTC)) são os mais adequados indicadores de contaminação fecal em água potável3. Deteção desses organismos consiste em, por exemplo, filtragem de uma amostra de 100 mL de água através de uma membrana seguida de incubação da membrana em meios selectivos a 35-37 ° C (Escherichia coli) ou 44-45 ° C (TTC)3.

Aplicativos baseados no campo dos métodos baseados em cultura tornaram-se cada vez mais relevantes nos últimos anos. Sob o objetivo de desenvolvimento sustentável 6, alvo 6.1, os governos comprometeram-se a regularmente qualidade de relatório bacteriológico de água potável no nível nacional4. Além de tais esforços de vigilância de saúde pública, operacionais, monitoramento de infra-estrutura de água é regularmente empreendido a nível local ou regional5. Estes vigilância e monitoramento de campanhas são muitas vezes em locais remotos, onde a infra-estrutura de laboratório necessária é inadequada ou não disponível. 6 da mesma forma, os métodos baseados em cultura são amplamente utilizados no diagnóstico médico e investigação microbiológica onde clínicas locais e instituições de pesquisa podem ser impugnadas por recursos limitados e fontes de alimentação insegura7.

Nos contextos acima, incubadoras convencionais são muitas vezes insuficientes ou indisponível. Como alternativa, incubadoras de campo foram especificamente desenvolvidas para uso fora do laboratório, por exemplo, o Aquatest projeto8, Universidade de Bristol, Reino Unido; DelAgua9, Marlborough, Reino Unido; ou Aquagenx10, Universidade da Carolina do Norte, Estados Unidos. No entanto, esses dispositivos são relativamente pequenos no volume, limitando assim o número de amostras que podem ser processados simultaneamente. Incubadoras de campo no mercado também não são projetadas para operar sob muito baixa (< 20 ° C) ou muito alta (> 40 ° C) as condições de temperatura ambiente, dificultando a sua utilização no deserto ou ambientes alpinos. Outras soluções alternativas incluem iogurte fabricação aparelhos11, cintos de corpo e de incubadoras de mudança de fase12. No entanto, tais incubadoras não convencionais podem funcionar de modo não confiável ou ser onerosa para operar11.

Assim, há uma necessidade para uma incubadora que oferece as vantagens de modelos baseados em laboratório (facilidade de uso, maior volume e precisão da temperatura) mantendo-se adequado para aplicações de campo (baixo custo, facilmente transportado e conservado, robustez para uma intervalo de temperatura ambiente, eficiência energética e fontes de alimentação resistente a intermitente) (tabela 1). O propósito do presente protocolo é detalhar o processo de fabricação de uma incubadora de baixo custo projetado para otimizar as vantagens dos modelos convencionais e baseada em campo usando material amplamente disponível.

CaracterísticaBaseado em laboratórioCampoOtimizado
Projeto amigável do usuáriofigure-introduction-1figure-introduction-2figure-introduction-3
Grande capacidadefigure-introduction-4figure-introduction-5figure-introduction-6
Robusta para uma ampla gama de temperaturas ambientesfigure-introduction-7figure-introduction-8figure-introduction-9
Mantém a temperatura constantefigure-introduction-10figure-introduction-11figure-introduction-12
Baixo custofigure-introduction-13figure-introduction-14figure-introduction-15
Facilmente transportadofigure-introduction-16figure-introduction-17figure-introduction-18
Energia eficientefigure-introduction-19figure-introduction-20figure-introduction-21
Resistente à alimentação intermitentefigure-introduction-22figure-introduction-23figure-introduction-24

Tabela 1: Características de incubadoras comercialmente disponíveis (baseado em laboratório e de campo) e a abordagem otimizada.

O protocolo de montagem a seguir especifica os materiais necessários e as etapas para a construção da incubadora. Está estruturada em quatro etapas: primeiro, a montagem da unidade de aquecimento; segunda, montagem de unidade de controle; terceira, montagem do núcleo incubadora elétrica; e quarta, montagem de incubadora. Este protocolo explica a construção do núcleo eletrônico da incubadora, que pode trabalhar com uma variedade de conchas de incubadora. Consulte a Tabela de materiais , para obter uma lista completa de todos os componentes usados no protocolo e suas especificações técnicas. O protocolo abaixo apresenta um exemplo funcional da incubadora de campo, mas a utilização flexível dos diferentes componentes é possível, desde que eles cumpram com os requisitos elétricos. Usar diferentes componentes possa influenciar o desempenho da incubadora. É aconselhável que a construção e instalação de componentes elétricos ser feito por uma pessoa qualificada no campo elétrico.

Protocolo

1. unidade de aquecimento

  1. Reunir os componentes a seguir (Figura 1):
    figure-protocol-1Suporte de placa (280 x 250 mm) com furos de ancoragem necessário
    figure-protocol-2Ventilador axial (60 x 60 x 25mm); 2 x
    figure-protocol-3Espaçador (comprimento de 20 mm, diâmetro interno 4,25 mm (M4)); 4 x
    figure-protocol-4Terminal de brilho com três pinos
    figure-protocol-5Porca do parafuso (M4); 4 x e (M3); 1 x
    figure-protocol-6Máquina de lavar (M4); 8 x e (M3); 1 x
    figure-protocol-7Parafuso (M4); 4 x e (M3); 1 x

figure-protocol-8
Figura 1: Componentes individuais da unidade de aquecimento.  figure-protocol-9 Suporte placa, figure-protocol-10 ventiladores axiais, figure-protocol-11 espaçadores, figure-protocol-12 terminal de brilho, figure-protocol-13 parafuso porcas, figure-protocol-14 anilhas e figure-protocol-15 os parafusos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. Faça os furos necessários (Figura 2) para a placa de suporte figure-protocol-16 para fixar os ventiladores axiais figure-protocol-17 bem como o terminal de brilho figure-protocol-18 (Figura 1).

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Figura 2: diagrama esquemático da placa de apoio. Indicações para perfurar os orifícios de fixação da placa de suporte para consertar os ventiladores axiais, bem como o terminal de brilho. As distâncias são dadas em milímetros. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. Os ventiladores axiais da escora figure-protocol-20 no centro da placa de apoio figure-protocol-21 como mostrado na Figura 3 , com dois parafusos M4, parafusos porcas e arruelas figure-protocol-22 , figure-protocol-23 , figure-protocol-24 por fã. Utilize os espaçadores figure-protocol-25 deixar uma distância entre os fãs e a placa de suporte (Figura 3).
  2. Ancorar o terminal de brilho figure-protocol-26 para a placa de suporte figure-protocol-27 usando M3 parafuso, porca e arruela. Fixe os fãs de cabo. (Figura 3).
  3. Conecte os cabos do ventilador com o terminal de brilho. Conecte os cabos positivos de cada ventilador junto e os cabos negativos de cada ventilador junto (Figura 3). O sensor de velocidade não é necessário.

figure-protocol-28
Figura 3: ventiladores axiais fixo na placa de suporte. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Nota: As cores de cabo mencionadas correspondem os usados nas figuras. As cores de cabo podem mudar dependendo do material usado.

2. controle unidade (alimentação)

  1. Reunir os seguintes componentes:
    figure-protocol-29Gabinete universal (aqui 200 x 120 x 60 milímetros, mas dimensões vão depender do tamanho do conversor DC/DC e o controlador de temperatura PID)
    figure-protocol-30Na/interruptor
    figure-protocol-31Conversor DC/DC, tensão de entrada de gama 9 - 36V, saída de tensão 12V
    figure-protocol-32Controlador de temperatura PID, 35-12 V/DC tensão de funcionamento
    figure-protocol-33Prensa-cabo, M12 x 15 mm, fixação compreendida entre 2-7,5 mm (ou de acordo com o cabo utilizado)
    figure-protocol-34Sensor de temperatura Pt100
    figure-protocol-35Fonte de alimentação AC
    Nota: A incubadora pode ser conectada à rede de alimentação ou uma bateria. No caso da operação de alimentação, fonte de alimentação AC é necessário e se a unidade está exclusivamente ligada à corrente, o conversor DC/DC não é obrigatório. No caso de operação com bateria, o conversor DC/DC é altamente recomendado, e um cabo de dois fios é necessário em vez de fonte de alimentação AC. Este protocolo apresenta a versão com o conversor DC/DC e fonte de alimentação AC. Um diagrama elétrico do núcleo incubadora eléctrica é detalhado no material complementar (Figura S1).
  2. Moinho das aberturas para o controlador de temperatura PID, on/off switch e prensa-cabos no recinto com uma broca e quebra-cabeças ou instrumento equivalente (Figura 4).

figure-protocol-36
Figura 4: diagrama esquemático do compartimento do universal. (a) indicações para colocar o controlador de temperatura figure-protocol-37 , interruptor on/off figure-protocol-38 e as glândulas de cabo figure-protocol-39 no recinto universal; as distâncias são dadas em milímetros. (b) vista 3D do compartimento do universal. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. Conectar o conversor DC/DC para o interruptor de ligar/desligar: Conecte o cabo positivo do adaptador de energia AC para o interruptor de ligar/desligar e o cabo negativo do adaptador de energia AC para o "-Vin" do conversor DC/DC (Figura 5).
  2. Utilize um cabo para ligar o interruptor de ligar/desligar para o "+ Vin" do conversor DC/DC (Figura 5).

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Figura 5: montado unidade de controle Gabinete universal figure-protocol-41 com conversor DC/DC figure-protocol-42 conectado ao controlador de temperatura PID figure-protocol-43 e interruptor on/off figure-protocol-44 . Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. Conecte os cabos da unidade de aquecimento para o controlador de temperatura PID como segue (Figura 6):
    1. Conecte o terminal "1" do controlador de temperatura PID para o "DC –" fio do aquecimento conexão de unidade e para o "-Vout" terminal do conversor DC/DC.
    2. Conectar-se a "DC +" fio indo para a unidade de aquecimento para o terminal "4" do controlador de temperatura PID, bem como para o terminal "2" do controlador de temperatura PID (ver ponto 3.2).
    3. Conecte o terminal "2" do controlador de temperatura PID, para o "+ Vout" terminal do conversor DC/DC.
    4. Conecte o terminal "5" do controlador de temperatura PID para o fio de "comando" para a unidade de aquecimento. (ver ponto 3.2).
    5. Conecte o sensor de temperatura para os terminais "10", "11" e "12".
      Nota: O cabo vermelho do sensor de temperatura deve ser conectado ao terminal "11" do controlador de temperatura PID.
  2. Ancorar o conversor DC/DC com fita de Velcro na parte inferior do compartimento e feche o compartimento do universal.

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Figura 6: cabo de conexão do conversor DC/DC com controlador de temperatura PID. Conversor DC/DC figure-protocol-46 , controlador de temperatura PID figure-protocol-47 , conexão a incubadora (cabo A) e conexão para sensor de temperatura (cabo B). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Nota: As funções dos terminais de controlador de temperatura PID usados são dadas na tabela 2.

Controlador de temperatura PID terminalFunção
Terminal "1"Entrada de alimentação +
Terminal "2"Alimentação de entrada-
Terminal "4"Controle comum de saída contato
Terminal "5"Controle saída contato normalmente aberto

Tabela 2: Funções correspondentes aos terminais de controlador de temperatura PID.

3. montagem do núcleo incubadora elétrica

  1. Reunir os seguintes componentes:
    Unidade de aquecimento da seção 1
    Unidade de controle da seção 2
    figure-protocol-48Aquecimento de chapas, auto-adesivo, 100 x 200 mm, 12 V/20 W, 2 x
  2. Ligar os cabos de conexão da unidade de controle para a unidade de aquecimento como segue (Figura 7):
    1. Conecte o fio "DC -" da unidade de controle com um condutor de cada uma das folhas do aquecimento e o fio negativo de cada fã.
    2. Ligue o fio "DC +" vindo de unidade de controle com o cabo positivo de cada fã.
    3. Ligue o fio de "comando" da unidade de controle para os restantes dois condutores de folhas o aquecimento.

figure-protocol-49
Figura 7: Cabo de conexão de chapas de aquecimento figure-protocol-50 com controlador de temperatura PID. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Nota: O campo preenchido incubadora elétrica núcleo da incubadora é mostrado na Figura 8.

figure-protocol-51
Figura 8: Núcleo elétrica de incubadora de campo concluída. Unidade de aquecimento figure-protocol-52 , unidade de controle figure-protocol-53 e sonda de temperatura figure-protocol-54 . Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. montagem da incubadora

  1. Reunir os seguintes componentes:
    Central elétrica de incubadora
    Concha de incubadora (aqui um poliestireno caixa da espuma, mas pode ser qualquer tipo de caixa feito de material isolante)
    Suporte de cremalheira (aqui um metal cremalheira, mas pode ser outro material)
  2. Coloque os componentes de incubadora juntos como segue (Figura 9):
    1. Coloque a casca de incubadora de lado, para que a abertura da incubadora (porta) está localizada em um lado.
    2. Coloque a placa de suporte com a unidade de aquecimento na parte inferior do reservatório incubadora.
    3. Coloque o Carré de apoio em cima da unidade de aquecimento, deixando um espaço de um mínimo de 10 cm entre a unidade de aquecimento e o suporte de cremalheira.
    4. Coloque a sonda de temperatura sobre a grelha de apoio e fixá-lo na incubadora.
  3. Fure a porta de incubadora para permitir a entrada dos cabos (Figura 9).
  4. A incubadora Conecte a fonte de energia.
  5. Ligue a incubadora e ajustar as configurações do controlador de temperatura PID (ver Tabela S1 no material complementar para configurações detalhadas).

figure-protocol-55
Figura 9: incubadora de campo concluída. Abrir (à esquerda) e fechado (à direita). Unidade de aquecimento figure-protocol-56 , suporte prateleira figure-protocol-57 , sonda de temperatura figure-protocol-58 , unidade de controle figure-protocol-59 , casca de incubadora figure-protocol-60 e furos para cabos no shell do incubadora (área de um círculo). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Nota: A concha da incubadora pode ser uma caixa de qualquer tipo de material. Recomenda-se usar um material isolante, e que a caixa se fecha firmemente para evitar a dissipação do calor. O rack de apoio deve conter grandes buracos para evitar o acúmulo de calor no rack, e o material pode ser de metal ou outro (por exemplo, plástico).

Resultados

A confiabilidade de uma incubadora de campo robusto reside na sua capacidade de atingir e manter uma temperatura ajustada sob várias condições. Para monitorar o desempenho de várias instantâneas incubadora, foram feitas as seguintes medições: tempo necessário para alcançar a temperatura programada, o efeito de abrir a porta por um minuto, o consumo de energia de mais de 24 horas de operação, estabilidade de temperatura interna superior a 24 horas de operação e a observação do crescimento de Escherichia coli . A temperatura no interior da incubadora foi medida a cada minuto com 4 dispositivos de log de temperatura colocados em posições diferentes na estrutura (suporte prateleira, parede, top, no interior de uma placa de crescimento). Considerou-se a temperatura a ser atingida quando todas as medições foram dentro de mais ou menos 2 ° C, qual é o intervalo aceitável para a incubação de e. coli. 13

O núcleo eletrônico foi testado com três tipos de conchas, usando materiais que normalmente são encontrados em muitos países: uma caixa de espuma de poliestireno (78 litros), uma caixa do refrigerador plástica dura (30 litros) e uma caixa de papelão coberta com um cobertor de sobrevivência (46 litros) ( Figura 10). Para cobrir uma gama de condições ambientais que pode ser experimentado no campo, estas instalações de incubadora foram testadas em três ambientes com temperatura: ambiente (aproximadamente 27 ° C), frio (cerca de 3,5 ° C e 7,5 ° C) e quente (cerca de 39 ° C). Medidas de desempenho foram testadas a regulação da temperatura interna a 37 ° C e 44,5 ° C.

O tempo para alcançar a temperatura programada nas incubadoras foi influenciado pela temperatura ambiente e o material do reservatório incubadora. A uma temperatura ambiente de 27 ° C, instantâneas três incubadoras atingiu a temperatura ajustada (37 ° C e 44,5 ° C) em um tempo semelhante (Figura 11a e Figura 12a) e comparáveis com o desempenho de uma incubadora padrão (tabela 3). Em ambientes frios (3,5 ° C e 7,5 ° C), as incubadoras com conchas mais grossas, ou seja, a espuma de poliestireno e caixa do refrigerador, alcançaram as alvo definido as temperaturas (37 ° C e 44,5 ° C) em um tempo semelhante; cerca de quatro vezes mais do que sob uma temperatura ambiente de 27 ° C. Com seu isolamento inferior, caixa de papelão com cobertor de sobrevivência nunca plenamente alcançado as conjunto temperaturas sob condições de temperatura ambiente frio (Figura 11b e Figura 12b). Num ambiente quente (39 ° C), instantâneas três incubadora alcançou a temperatura-alvo de 44,5 ° C em menos de 10 minutos (Figura 12c). No entanto, quando a temperatura era de 37 ° C, ou seja, inferior a temperatura ambiente, nenhum das incubadoras poderia abaixar a temperatura, resultando em sobreaquecimento para todos os três incubadora conjunto ups (Figura 11 c).

A temperatura ambiente e o tipo de shell incubadora influenciaram o impacto da abertura da porta de incubadora durante um minuto. A perda de calor foi maior no ambiente frio, e o tempo para recuperar as temperaturas conjunto internas era maior, com excepção da incubadora de caixa de papelão, onde as temperaturas nunca foram atingido (Figura 13b e Figura 14b). Em ambientes mais quentes, a perda de calor era limitada e o conjunto de temperaturas foram recuperadas em menos de 10 minutos (Figura 13ac e Figura 14ac). Em uma temperatura de 39 ° C e a temperatura de 37 ° C, abrindo a porta não causar nem reduzir o superaquecimento das incubadoras (Figura 13C).

O consumo de energia aumentou com ambientes frios e com um aumento da temperatura. Melhor isolante conchas de incubadora (espuma de poliestireno e caixa do refrigerador) mostrou um menor consumo de energia em comparação com a incubadora de caixa de papelão. Em ambientes similares (temperatura ambiente de 27 ° C), a energia de 0.22 para 0,52 kWh/24h menos três incubadora set-ups consumidas do que o padrão incubadoras testados (tabela 3).

A temperatura na incubadora manteve-se estável durante 24 horas com todos os tipos de conchas de incubadora e a temperatura ambiente testado (Figura 13 e Figura 14). Observaram-se ligeiras variações de temperatura medida em comparação com a temperatura de acordo com a posição do dispositivo de registro de temperatura na incubadora. Com exceção dos testes com a temperatura ambiente (39Â ° C) mais quente que a temperatura ajustada (37 ° C) (Figura 13C), as variações de temperatura estavam todos dentro do intervalo aceitável de 2 ° C para a incubação de Escherichia coli .

Todos os testes foram realizados na presença de e. coli e materiais de medição de coliformes totais (filtro de membrana colocado na placa de crescimento). Repetições de uma amostra foram colocadas em cada instalação de incubadora e uma incubadora de padrão para comparação. Em todas as instalações e condições, o crescimento de e. coli e coliformes totais foi bem sucedida e comparável ao crescimento observado na incubadora padrão. Um resumo das configurações de incubadora e as condições de temperatura ambiente testadas com resultados são mostrados na tabela 3.

Teste 1:
Tempo para definir a temperatura		Teste 2:
Porta lateral abrindo um minuto		Teste 3:
Consumo de energia ao longo do período de 24 horas		Teste 4:
Variação de temperatura ao longo do período de 24 horas		Teste 5:
Crescimento de e. coli observado
Temperatura ambienteTemperatura ajustada(min)Perda máxima de temperatura (° C); tempo para recuperar a temperatura ajustada (min)(kWh/24h)Temperatura máxima absoluta (° C); temperatura mínima absoluta (° C) *(Sim / não)
Caixa de espuma de poliestireno3,5 ° C37 ° C4510 ° C; 17 min0,7837; 35,5Sim
7,5 ° C44,5 ° C7416,5 ° C; 31 min0,8944.5; 42.5ND†
27 ° C37 ° C122,5 ° C; 3 min0.2837.5; 36,5Sim
44,5 ° C204,5 ° C; 7 min0,4344.5; 43,5ND†
39 ° C37 ° C0 (superaquecimento)2 ° C; 0 min (superaquecimento)0.1142,5; 42Sim
44,5 ° C73,5 ° C; 5 min0.1745; 43,5ND†
Caixa do refrigerador da difícil3,5 ° C37 ° C548 ° C; 10 min0.8637.5; 36Sim
7,5 ° C44,5 ° C9612 ° C; 30 min1,0545; 43ND†
27 ° C37 ° C131,5 ° C; 0 min0,2737.5; 36,5Sim
44,5 ° C252 ° C; 4 min0,5045; 43,5ND†
39 ° C37 ° C0 (superaquecimento)1 ° C; 0 min (superaquecimento)0.1143; 42.5Sim
44,5 ° C94 ° C; 3 min0,1945.5; 44.5ND†
Caixa de papelão com cobertor de sobrevivência3,5 ° C37 ° CNunca alcançado (temperatura estável após 109 min)6,5 ° C; temperatura estável após 30 min1.2433.5; 30.5Sim
7,5 ° C44,5 ° CNunca alcançado (temperatura estável após 120 min)8 ° C; temperatura estável depois de 20 min1.2836.5; 32ND†
27 ° C37 ° C152,5 ° C; 6 min0.4236.5; 35,5Sim
44,5 ° C243 ° C; 8 min0.7044.5; 42.5ND†
39 ° C37 ° C0 (superaquecimento)1,5 ° C; 0 min (superaquecimento)0.1141.5; 40Sim
44,5 ° C92 ° C; 0 min0.2045; 43,5ND†
Incubadora de padrão27 ° C37 ° C181 ° C; 0 min (superaquecimento)0.6438,5; 36ND†
44,5 ° C23 (superaquecimento)2,5 ° C; 0 min0,9547,5; 43,5ND†

Tabela 3: Resumo dos resultados para as configurações de incubadora e condições de temperatura ambiente testado. * Teste 4: Temperaturas máximas e mínimas absolutas registrada durante os períodos estáveis, ou seja, de 10 minutos após o término de um evento de interrupção (tempo de alcançar a temperatura programada, abrindo a porta). † ND: Não há dados, a não execução do teste.

figure-results-1
Figura 10: conchas de incubadora testadas. Abrir (linha superior) e fechado (linha inferior). Espessura (à esquerda), caixa de espuma de poliestireno de 3,5 cm, dimensões exteriores 39 x 56 x 36 cm; duro plástico refrigerador caixa (médio), espessura de 2,5 cm, dimensões exteriores 32 x 41 x 47 cm; caixa de papelão (à direita) coberta com um cobertor de sobrevivência padrão 12 µm de espessura dobrada duas vezes, dimensões exteriores 30 x 42 x 37 cm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-2
Figura 11: tempo de alcançar a temperatura programada (37 ° C) de sob condições de temperatura ambiente diferentes set-ups a incubadora. Performances de incubadoras com um escudo feito de uma caixa de poliestireno expandido, uma caixa dura mais fresca e uma caixa de papelão coberta com um cobertor de sobrevivência. No quarto temperatura ambiente (a), temperatura ambiente frio (b)e temperatura ambiente quente (c). As temperaturas registadas na prateleira de apoio a incubadoras. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-3
Figura 12: tempo de alcançar a temperatura programada (44,5 ° C) de sob condições de temperatura ambiente diferentes set-ups a incubadora. Performances de incubadoras com um escudo feito de uma caixa de poliestireno expandido, uma caixa dura mais fresca e uma caixa de papelão coberta com um cobertor de sobrevivência. No quarto temperatura ambiente (a), temperatura ambiente frio (b)e temperatura ambiente quente (c). As temperaturas registadas na prateleira de apoio a incubadoras.  Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-4
Figura 13: variações de temperatura ao longo do período de 24 horas e efeito da porta que se abriu em condições diferentes de temperatura ambiente. Temperatura de 37 ° C. Performances de incubadoras com um escudo feito de uma caixa de poliestireno expandido, uma caixa dura mais fresca e uma caixa de papelão coberta com um cobertor de sobrevivência. No quarto temperatura ambiente (a), temperatura ambiente frio (b)e temperatura ambiente quente (c). Um círculo áreas mostram as variações de temperatura devido a porta abrindo para um minuto. As temperaturas registadas na prateleira de apoio a incubadoras. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-5
Figura 14: variações de temperatura ao longo do período de 24 horas e efeito da porta que se abriu em condições diferentes de temperatura ambiente. Temperatura de 44,5 ° C. Performances de incubadoras com um escudo feito de uma caixa de poliestireno expandido, uma caixa dura mais fresca e uma caixa de papelão coberta com um cobertor de sobrevivência. No quarto temperatura ambiente (a), temperatura ambiente frio (b)e temperatura ambiente quente (c). Um círculo áreas mostram as variações de temperatura devido a porta abrindo para um minuto. As temperaturas registadas na prateleira de apoio a incubadoras. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figure-results-6
S1 Figura: esquema elétrico da fiação elétrica do núcleo de incubadora. Alternativas para operação da rede e a operação da bateria são indicadas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

ParâmetroValor selecionado
1Tipo de saída de controleControlar o Q1 / Q2 de alarme
2Tipo do sensor conectadoPT100 (-200 a 140 ° C)
3Limite inferior selecionável para valor de setpoint0
4Limite máximo selecionável para valor de setpoint50
5Tipo de controleAquecimento
6ON/OFF histerese ou banda morta para controle PID0
7Largura de banda proporcional do processo expressado em unidades (° C se temperatura)1
8Tempo integral. Inércia do processo expressado em segundos80,0
9Tempo derivativo para PID20,0
10Tempo de ciclo para a saída do tempo-dosagem10
11Permitir ou negar a modificação do setpoint valores pelo teclado frontalPermite a modificação dos setpoints todos
12Filtro de software. Número de leituras para calcular a comparação do valor PV-SPV10
13Tipo de grau° C
14Tipo de líquido de arrefecimentoAr

Tabela S1: configurações de controlador de temperatura PID. Exibição de valores; outros parâmetros não é necessários executar a incubadora foram deixados para valores padrão.

Discussão

Sob 6.1 de objetivo de desenvolvimento sustentável, está aumentando a demanda por amostragem de qualidade de água, especialmente em áreas rurais remotas, onde as práticas de monitoramento são menos estabelecida14. A maior barreira para a implementação de qualidade de água regular teste nesses ambientes é fraco acesso aos laboratórios capazes de suportar métodos microbiana6. Este trabalho apresenta um método para uma incubadora confiável construída a partir de materiais que são relativamente barato e amplamente disponível. Os componentes elétricos são relativamente fáceis de fonte e montar, exigindo apenas limitada experiência. Além disso, o projeto do escudo de incubadora é flexível e, portanto, pode ser construído a partir de materiais disponíveis localmente. Isto é especialmente desejável para aqueles que viajam para locais remotos, desde que o espaço de bagagem não é necessário para um escudo pesado e volumoso. Dependendo o shell usado, o volume da incubadora também é adaptável e pode ser dimensionado para acomodar um tamanho de amostra específica. O set-up apresentado pode ser usado na - e fora da rede, que o torna robusto para cortes de energia ou ausência de alimentação elétrica confiável. Enquanto certas limitações de projeto foram observadas, esta configuração acima geralmente provou para ser eficaz sob uma variedade de condições de temperatura ambiente (3,5 ° C a 39 ° C).

Há várias etapas no protocolo que são críticas para a consecução de um projeto de incubadora apropriado para necessidades. A primeira é a seleção dos componentes elétricos da incubadora. Componentes alternativos podem ser escolhidos com base no preço ou a disponibilidade local. Dependendo do material selecionado e suas especificações técnicas, a incubadora pode ter alterado performances em comparação com os resultados apresentados. Outro passo crítico no protocolo é a escolha do material de shell, que deve ser feita com base na faixa esperada de temperaturas ambientes, locais de alimentação e disponibilidade de materiais. A baixas temperaturas ambientes (< 25 ° C), um reservatório construído de espuma de poliestireno ou uma caixa do refrigerador difícil recomenda-se para atingir uma temperatura de 37 ° C, a 44,5 ° C. Com base nos dados experimentais apresentados, estes conjunto ups podem ser esperados para alcançar a temperatura programada em 96-45 minutos e consumir 0,78 - 1.05 kWh/24h em ambientes frios (3,5 a 7,5 ° C). Caixa de papelão com cobertor de sobrevivência não é recomendada para uso em ambientes com temperatura inferiores desde isso montamos nunca atingiu que um estábulo conjunto temperatura durante o período de observação experimental. A temperatura ambiente moderada (27 ° C) qualquer um dos tipos concha testados são aceitáveis, com semelhante ao ligeiramente maior consumo de energia observado para o conjunto de caixa de papelão até. À temperatura ambiente mais elevada (39 ° C), os projetos da incubadora aqui apresentados eram propensos a se superaquecimento a menos que a temperatura era ainda maior (ou seja, 44,5 ° C). Portanto, tais condições que requerem um dispositivo de resfriamento ou usar em um espaço de clima controlado.

O custo da construção da incubadora aqui apresentada foi cerca de 300 USD quando materiais eram provenientes da Suíça. No entanto, estes custos podem ser consideravelmente mais baixos em locais diferentes, especialmente se as taxas para os componentes eletrônicos principais de transporte pode ser mantido a um mínimo. Modificação dos vários componentes descritos no protocolo pode reduzir ainda mais os custos. O protocolo apresentado aqui é limitado, em que ele compara apenas três tipos de materiais de casca em duas temperaturas de conjunto, bem como a verificação do crescimento microbiano para Escherichia coli só. A pesquisa futura deve testar a adequação deste projeto Incubadora sob uma gama maior de parâmetros de temperatura e uso de espécies indicadoras de microbiana adicionais (por exemplo, Enterococcus) e patógenos (por exemplo, as salmonelas, Vibrio cholerae). Futuras pesquisas devem centrar-se também no desenvolvimento de técnicas eficazes de refrigeração dentro da incubadora, que permita a sua utilização em ambientes extremamente quentes (> 40 ° C).

A nosso conhecimento, não há nenhum outra incubadora de campo conhecido que oferece a capacidade de volume adaptável e é facilmente desmontável, permanecendo transportáveis e de baixo custo. Esta alternativa inovadora para incubadoras disponíveis comercialmente atende a uma necessidade de governos e organizações com a qualidade da água e outros objectivos de testes baseados em cultura onde poucas instalações laboratoriais estão disponíveis. Quando combinadas com qualidade de água simples, equipamento de teste, esta incubadora pode ajudar os profissionais com capacidades limitadas para estabelecer laboratórios permanentes ou sazonais, a um custo razoável. Aumentando o número de laboratórios em áreas remotas, esforços para realizar a vigilância de qualidade de água regular ou alcançar acompanhamento pontual de operações do sistema vão se tornar cada vez mais viáveis.

Divulgações

Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

Esta pesquisa foi apoiada pela Agência Suíça de cooperação para o desenvolvimento e o programa REACH financiados pela ajuda UK do Reino Unido departamento para desenvolvimento internacional (DFID) em benefício dos países em desenvolvimento (Áries código 201880). As opiniões expressados e informações contidas nele não são necessariamente aqueles da ou endossada por estas agências, que não podem aceitar nenhuma responsabilidade para tais opiniões ou informações, ou para qualquer confiança colocada sobre eles. Os autores também agradecer a Arnt Diener por suas contribuições para iterações anteriores do protótipo da incubadora de espuma de poliestireno.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Folha de aquecimentoThermo2115337Autoadesiva 10x20 cm; Tensão de operação 12V; Potência 20W
Ventilador axialYen Sun Technology Corp.FD126025MB6x6x2,5 cm; Tensão de operação 12VDC; Potência 1.44W; consumo máximo de corrente 60mA
Controlador de temperatura PIDWachendorff Automation GmbH & Co. KGUR3274SControlador PID 32x74 mm; Entrada universal para sinais de processo, termopares, Pt100; Tensão de operação 24 VDC; Saídas (termostatos) Relé de 10 A, Relé de 5 A, SSR, RS 485
Sensor de temperatura Pt100Conrad198466Faixa de temperatura -100° C a 200 graus C; Sensor Pt100, Tipo FS-400P
Caixa universalOKW Gehä use SistemaC2012201Dimensões 200 x 120 x 60 mm
Conversor DC/DCTraco PowerTMDC 60-2412Tensão nominal 24 VDC; Tensão de entrada 9-36 VDC; Tensão de saída 12 VDC; corrente de saída 5 A; Alimentação: 60W
Adaptador de energia CABicker ElektronikBET-0612Tensão de saída: 12 VDC; Corrente máxima de saída: 5 A; Tensão de entrada 115-230 VAC
EspaçadorSchä fer Elektromechanik20/4Sem rosca; Tamanho da rosca M4; Polistireno; Distância 20 mm
Prensa-caboWISKA10066410M12 x 1,5 cm; faixa de aperto 3 - 7 mm
Terminal de brilhoAdelsContato 125312Corrente nominal 25 A; Tensão nominal 500V
Parafuso M4 x 50Bossard1579010M4 x 50 mm
Porca M4Bossard1241478M4
Arruela M4Bossard1887505M4
Parafuso M3 x 25Bossard1211099M3 x 25 mm
Porca M3Bossard1241443M3
Arruela M3Bossard1887483M3
Placa de suporte -  - Material isolante (plástico ou outro); 28 x 25 cm

Referências

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  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).
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