Construção de uma incubadora móvel de baixo custo para o campo e uso em laboratório
19 de março de 2019
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.
As incubadoras são essenciais para muitos métodos microbianos, particularmente para a análise cultural da água potável. Aqui abordamos a necessidade de incubadoras de baixo custo para uso em locais com infraestrutura limitada. Detalharemos a construção de uma incubadora transportável adaptável de baixo custo usando materiais comumente disponíveis.
Esta incubadora opera sob uma série de condições ambientais, e tem desempenho semelhante aos modelos baseados em laboratório. Este método pode ser usado para qualquer atividade que exija uma incubadora que possa manter uma temperatura constante em locais com ou sem um acesso confiável à eletricidade baseada em rede. É possível utilizar componentes diferentes dos descritos aqui, desde que cumpram os requisitos elétricos, embora diferentes componentes possam influenciar o desempenho da incubadora.
Os principais inventores desta versão da incubadora são Jurg Sigrist e Christian Ebi, técnicos de nossos laboratórios. Antes de montar a unidade de aquecimento, reúna uma placa de suporte de 280 por 250 milímetros, duas 60 por 60 por 25 milímetros ventiladores axiais, quatro espaçadores de 20 milímetros com diâmetro interno de 4,25 milímetros, um terminal de brilho com três pinos, quatro M4 e uma porca de parafuso M3, oito M4 e um lavador M3, e quatro M4 e um parafuso M3. Em seguida, faça os orifícios de ancoragem apropriados na placa de suporte, para fixar os ventiladores axiais e o terminal de brilho.
Quando todos os furos forem perfurados, use dois parafusos M4, duas porcas de parafuso e quatro arruelas por ventilador para ancorar os ventiladores axiais no centro da placa de suporte, usando os espaçadores para manter o espaço entre os ventiladores e a placa de suporte. Use parafusos M3, porcas de parafuso e arruela para ancorar o terminal de brilho na placa de suporte e fixar os cabos do ventilador. Em seguida, conecte os cabos do ventilador com o terminal de brilho.
Conecte os cabos positivos e negativos de cada ventilador. Para montar a unidade de controle, reúna o gabinete universal, interruptor de liga/desliga, conversor DC/DC com uma faixa de tensão de entrada de nove a 36 volts, e uma tensão de saída de 12 volts, um controlador de temperatura derivativo integral proporcional com uma tensão de operação de corrente direta de 12 a 35 volts, uma glândula de cabo de 12 a 15 milímetros com uma faixa de crimping de dois a 7,5 milímetros, um sensor de platina de temperatura 100 e uma fonte de alimentação AC. Use uma broca e um quebra-cabeça para moer as aberturas para o controlador de temperatura PID, o interruptor de liga/desliga e as glândulas do cabo no gabinete e coloque o interruptor de liga/desliga e as glândulas do cabo.
Conecte o cabo positivo do adaptador de alimentação CA ao interruptor liga/desliga e o cabo negativo do adaptador de alimentação CA à entrada de tensão negativa do conversor DC/DC. Use um cabo para conectar o interruptor liga/desliga à entrada de tensão positiva do conversor DC/DC. Conecte o terminal um do controlador de temperatura PID ao fio negativo DC da conexão da unidade de aquecimento e à tensão negativa do terminal do conversor DC/DC.
Conecte o fio positivo DC conectado à unidade de aquecimento ao terminal quatro do controlador de temperatura PID e ao terminal dois do controlador de temperatura PID. Conecte o terminal dois do controlador de temperatura PID ao terminal de saída de tensão positiva do conversor DC/DC. E conecte o terminal cinco do controlador de temperatura PID ao fio de comando conectado à unidade de aquecimento.
Conecte o sensor de temperatura aos terminais 10, 11 e 12. Em seguida, use fita adesiva e fita de loop para ancorar o conversor DC/DC na parte inferior do gabinete e feche o gabinete universal. Para configurar o núcleo elétrico da incubadora, reúna duas folhas de aquecimento autoadesivas de 100 por 200 milímetros de 12 volts e 20 watts, e conecte o fio negativo DC da unidade de controle ao terminal de brilho, e com um condutor de cada uma das folhas de aquecimento, e o fio negativo de cada ventilador.
Em seguida, conecte o fio positivo proveniente da unidade de controle com o cabo positivo de cada ventilador. E conecte o fio de comando da unidade de controle aos dois condutores restantes das folhas de aquecimento. Para montar a incubadora, reúna uma concha de incubadora e um rack de suporte.
Coloque a casca da incubadora de lado com a porta da incubadora de um lado da concha e coloque a placa de suporte com a unidade de aquecimento na parte inferior da casca da incubadora. Coloque o rack de suporte em cima da unidade de aquecimento, deixando um mínimo de 10 centímetros entre a unidade de aquecimento e o rack de suporte. E coloque a sonda de temperatura no rack de suporte e fixe-a.
Faça furos na porta da incubadora para permitir a inserção dos cabos. Feche firmemente a incubadora e conecte a incubadora à fonte de energia. Em seguida, ligue a incubadora e ajuste as configurações do controlador de temperatura PID conforme experimentalmente apropriado.
Para as configurações representativas da incubadora, o tempo para atingir a temperatura definida nas incubadoras foi influenciado pela temperatura ambiente e pelo material da casca da incubadora. A uma temperatura ambiente de cerca de 27 graus Celsius, as três configurações da incubadora atingiram as temperaturas definidas em uma quantidade semelhante de tempo com um desempenho de uma incubadora padrão. Em ambientes frios, as incubadoras com conchas mais grossas atingiram a meta definir temperaturas mais lentamente do que sob uma temperatura ambiente normal, mas em uma quantidade semelhante de tempo um ao outro, enquanto a incubadora com o isolamento mais fino nunca atingiu totalmente as temperaturas definidas.
Em um ambiente quente, as três configurações da incubadora atingiram a temperatura-alvo em menos de 10 minutos. No entanto, quando a temperatura fixa de 37 graus Celsius foi menor do que a temperatura ambiente de 39 graus Celsius, nenhuma das incubadoras poderia baixar a temperatura, resultando em superaquecimento para todas as três configurações da incubadora. Em ambientes semelhantes, as três configurações da incubadora consumiram de 0,22 a 0,52 quilowatts-hora por 24 horas menos energia do que as incubadoras padrão testadas, e em todas as configurações e condições, o crescimento do E.coli e do coliform total foi bem sucedido, e comparável ao crescimento observado nas incubadoras padrão.
A escolha da concha é crítica. Uma incubadora com uma concha mais isolante terá melhor desempenho em termos de tempo para atingir a temperatura definida e no consumo de energia. Aconselhável que a construção e a fiação dos componentes elétricos sejam realizadas por uma pessoa habilitada no campo elétrico.
Visão Geral
Este artigo apresenta um método para a construção de um incubador de baixo custo, adaptável e transportável para testes microbiológicos de água potável. O projeto utiliza materiais de fácil acesso e é capaz de operar sob diversas condições ambientais, mantendo desempenho comparável ao de modelos laboratoriais.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Testes microbiológicos
- Ciência ambiental
- Projeto de equipamentos de laboratório
Antecedentes
- Incubadoras são essenciais para análises baseadas em culturas microbianas.
- Existe uma necessidade de incubadoras acessíveis em áreas com infraestrutura limitada.
- Os modelos existentes muitas vezes dependem de eletricidade proveniente da rede elétrica.
- Este estudo tem como objetivo enfrentar esses desafios com um novo design.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um incubador de baixo custo para testes microbianos.
- Garantir adaptabilidade para diversas condições de campo.
- Fornecer uma solução para locais que não dispõem de eletricidade confiável.
Métodos Utilizados
- Construção da incubadora utilizando materiais amplamente disponíveis.
- Instruções detalhadas de montagem para a unidade de aquecimento e a unidade de controle.
- Avaliação do desempenho da incubadora sob diferentes condições ambientais.
- Comparação do consumo de energia com incubadoras padrão.
Resultados Principais
- O incubador manteve temperaturas efetivamente em diversas condições.
- O desempenho foi comparável ao de incubadores laboratoriais padrão.
- O consumo de energia foi menor do que o de incubadores padrão testados.
- Foi obtido crescimento bem-sucedido de E. coli e coliformes totais.
Conclusões
- O design do incubador é viável para uso em campo em testes microbianos.
- Oferece uma alternativa econômica aos modelos tradicionais.
- Uma otimização adicional pode aprimorar o desempenho em condições extremas.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este incubadora de baixo custo e transportável resolve lacunas críticas de infraestrutura em testes microbianos de campo, permitindo o monitoramento confiável da qualidade da água em ambientes com recursos limitados. Sua adaptabilidade a diversas fontes de energia e materiais da carcaça apoia fluxos de trabalho de testes descentralizados, reduzindo a dependência de laboratórios centralizados. O design facilita a vigilância ambiental em estágios iniciais e a avaliação de riscos à saúde pública, garantindo condições de cultura constantes para ensaios de crescimento microbiano.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia e Farmacêuticos
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite condições reprodutíveis de crescimento microbiano para triagem preliminar de patógenos veiculados pela água em amostras ambientais.
- Valor Operacional: Apoia o processamento descentralizado de amostras, reduzindo o tempo de resposta para detecção inicial de microrganismos em condições de campo.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Fornece uma plataforma padronizada para validar ensaios baseados em cultivo sob condições ambientais variáveis.
- Valor Operacional: Garante a reprodutibilidade dos ensaios em diferentes locais de campo por meio de controle consistente de temperatura, independente da confiabilidade da rede elétrica.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Apoia a continuidade translacional ao permitir que dados de monitoramento ambiental informem modelos pré-clínicos de risco para exposição a doenças veiculadas pela água.
- Valor Operacional: Facilita a implantação escalável em estudos de campo longitudinais que exigem quantificação microbiana repetida ao longo do tempo.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O incubador se integra aos fluxos de trabalho de microbiologia ambiental, auxiliando na preparação de amostras para a enumeração microbiana antes da identificação subsequente ou testes de suscetibilidade.
- Biologia da Descoberta: Permite testar hipóteses sobre a presença e concentração de microrganismos em fontes de água sob condições reais.
- Triagem: Fornece leituras quantitativas e reprodutíveis de crescimento essenciais para comparar a carga microbiana entre conjuntos de amostras.
- Análises: Gera dados de unidades formadoras de colônias que podem ser normalizados e comparados entre diferentes pontos temporais ou locais geográficos.
- Pesquisa Translacional: Conecta a vigilância ambiental à modelagem de riscos à saúde ao fornecer dados confiáveis sobre a carga microbiana.
- Reutilização Empresarial: Projetada como uma plataforma modular e reutilizável, adaptável a múltiplos locais de campo e campanhas de testes.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Reduz a ambiguidade mecanicista na detecção microbiana ambiental ao garantir a consistência das condições de cultivo.
- Valor Operacional: Aprimora a padronização e a escalabilidade dos testes microbianos em laboratórios de campo distribuídos.
- Valor Estratégico: Melhora a eficiência de capital ao permitir a implantação de baixo custo de capacidade de testes em regiões carentes.
- Impacto no Portfólio: Apoia a priorização ajustada ao risco de intervenções para a segurança da água com base em resultados validados de crescimento microbiano.
Considerações sobre a Implementação
- Exige conhecimentos básicos em eletrônica para a montagem segura dos componentes de aquecimento, controle e sensores.
- Depende do acesso a fontes de energia de 12 V, como baterias, painéis solares ou adaptadores veiculares, para operação fora da rede elétrica.
- Necessita padronização das propriedades de isolamento do invólucro do incubador para garantir desempenho consistente entre diferentes implantações.
- Envolve considerações de adaptação ao ser dimensionado para volumes maiores ou temperaturas ambientes extremas além das faixas testadas.
- Limitado a aplicações que exigem temperaturas até a capacidade da folha de aquecimento; não é adequado para resfriamento abaixo da temperatura ambiente sem modificações.
