Dette papir beskriver en metode til at opbygge en fleksibel, billig og transportable inkubator for mikrobiel afprøvning af drikkevand. Vores design er baseret på almindeligt tilgængelige materialer og kan operere under en række markforhold, mens den stadig giver fordelene ved højere-end laboratorium-baserede modeller.
Inkubatorer er afgørende for en række kultur-baserede mikrobielle metoder, såsom Membranfiltrering efterfulgt af dyrkning for vurdering af drikkevandets kvalitet. Kommercielt tilgængelige inkubatorer er dog ofte dyrt, vanskeligt at transportere, ikke fleksible med hensyn til volumen, og/eller dårligt tilpasset lokale markforhold hvor adgang til elektricitet er upålidelige. Formålet med denne undersøgelse var at udvikle en fleksibel, billig og transportable inkubator, der kan konstrueres ved hjælp af let tilgængelige komponenter. Den elektroniske kernen i rugemaskinen blev først udviklet. Disse komponenter blev derefter testet under en række omgivende temperaturforhold (3,5 ° C – 39 ° C) ved hjælp af tre typer af inkubator skaller (polystyren skum kasse, hårde køler box og papæske beklædt med en overlevelse tæppe). Den elektroniske core viste sammenlignelige resultater til en standard laboratorium inkubator i form af den tid, det tager at nå frem til den indstillede temperatur, indre temperatur stabilitet og geografisk spredning, strømforbrug og mikrobiel vækst. Inkubator set-ups var også effektiv ved moderat og lav omgivende temperaturer (mellem 3,5 ° C og 27 ° C), og ved høje temperaturer (39 ° C) når rugemaskinen indstillet temperatur var højere. Denne inkubator prototype er billig (< 300 USD) og kan tilpasses til en bred vifte af materialer og diskenheder. Den aftagelige struktur gør det nemt at transportere. Det kan bruges i både etablerede laboratorier med gitter magt eller i Fjernindstillinger drevet af solenergi eller en bilbatteri. Det er især nyttige som en udstyr mulighed for feltet laboratorier i områder med begrænset adgang til ressourcer for vand kvalitet overvågning.
Kultur-baserede metoder til påvisning af mikrobielle forureninger er state-of-the-art for vand kvalitet analyse i både industrialiserede og udviklingslandene1,2. Mikroorganismer findes i mange miljøer og kræver forskellige temperaturforhold for optimal vækst. At skabe et temperatur-stabil inkubation miljø er derfor en forudsætning for pålidelige påvisning af mikrobielle forureninger af bekymring i drikkevand. Ifølge World Health Organization er Escherichia coli (E. coli) (eller alternativt, thermotolerant colibakterier (TTC)) de mest egnede indikatorer for fækal forurening i drikkevand3. Påvisning af disse organismer består af, for eksempel, filtrering et 100 mL vandprøve gennem en membran, efterfulgt af inkubation af membranen på selektiv medier på 35-37 ° C (E. coli) eller 44-45 ° C (TTC)3.
Felt-baserede applikationer af kultur-baserede metoder er blevet mere og mere relevante i de seneste år. Under bæredygtig udvikling mål 6, Target 6.1, har regeringerne forpligtet til regelmæssigt rapport bakteriologiske kvalitet af drikkevandet på det nationale niveau4. Ud over sådanne offentlige sundhed overvågning indsats, der operationel overvågning af vandinfrastruktur regelmæssigt iværksættes på den lokale eller regionale niveau5. Disse tilsyn og overvågning kampagner er ofte i fjerntliggende steder hvor den krævede laboratorium infrastruktur er utilstrækkelige eller utilgængelige. 6 tilsvarende kultur-baserede metoder anvendes i vid udstrækning medicinsk diagnose og mikrobiologiske forskning hvor lokale klinikker og forskningsinstitutioner kan anfægtes af begrænsede ressourcer og usikre strømforsyninger7.
I de ovennævnte sammenhænge er konventionelle inkubatorer ofte utilstrækkelige eller utilgængelige. Som et alternativ, er felt inkubatorer blevet specielt udviklet til brug uden for laboratoriet, fx Aquatest project8, University of Bristol, Storbritannien; DelAgua9, Marlborough, Det Forenede Kongerige; eller Aquagenx10, University of North Carolina, USA. Disse enheder er dog relativt små i volumen, hvilket begrænser antallet af prøver, der kan behandles samtidigt. Feltet væksthuse på markedet er også ikke designet til at operere meget lav ( 40 ° C) stuetemperatur betingelser, vanskeliggør deres brug i ørkenen eller alpine miljøer. Yderligere omfatter alternative løsninger yoghurt-making apparater11, kroppen bælter og fase-change væksthuse12. Dog kan sådan utraditionel væksthuse fungere unreliably eller være belastende at betjene11.
Der er således behov for en rugemaskine, der tilbyder fordele af laboratorie-baserede modeller (brugervenlighed, større volumen, og temperaturen præcision) mens de resterende velegnet til felt applikationer (billig, let transporteres og vedligeholdt, robusthed over for en række omgivelsestemperaturer, energieffektive og modstandsdygtige over for intermitterende strømforsyninger) (tabel 1). Formålet med denne protokol er at detalje fabrikationsproces en low-cost rugemaskine designet til at optimere fordelene ved både konventionel og felt-baserede modeller ved hjælp af almindeligt tilgængelige materiale.
Karakteristisk | Laboratorium-baseret | Felt | Optimeret |
Bruger venligt design | |||
Stor kapacitet | |||
Robust til bred vifte af omgivelsestemperaturer | |||
Vedligeholder konstant temperatur | |||
Lav pris | |||
Let transporteres | |||
Energieffektive | |||
Modstandsdygtige over for intermitterende strømforsyning |
Tabel 1: Karakteristika af kommercielt tilgængelige væksthuse (laboratoriebaserede og feltet) og en optimeret tilgang.
Følgende forsamling protokol angiver de nødvendige materialer og trin til opbygning af rugemaskinen. Det er struktureret i fire trin: første, samling af varmeenhed; andet, forsamlings styreenheds; tredje, samling af inkubator elektriske kernen; og fjerde, montering af varmeskabet. Denne protokol beskriver opbygningen af den elektroniske core rugemaskine, der kan arbejde med en bred vifte af inkubator skaller. Se Tabel af materialer for en komplet liste over alle komponenter, der bruges i protokollen og deres tekniske specifikationer. Protokollen nedenfor præsenterer en funktionel eksempel felt rugemaskine, men fleksibel brug af forskellige komponenter er mulig, så længe de opfylder de elektriske krav. Ved hjælp af forskellige komponenter kan påvirke opførelser af varmeskabet. Det tilrådes, at konstruktion og ledninger af elektriske komponenter gøres en fagmand i det elektriske felt.
Under bæredygtig udvikling mål 6.1, er efterspørgslen efter vand kvalitet prøveudtagning stigende, især i fjerntliggende landdistrikter, hvor kontrolpraksis er mindre etablerede14. En afgørende hindring for gennemførelse af regelmæssig vandkvalitet test i disse indstillinger er dårlig adgang til laboratorier i stand til at støtte mikrobielle metoder6. Dette paper præsenterer en metode til en pålidelig inkubator konstrueret af materialer, der er relativt billige og bredt tilgængelige. De elektriske komponenter er forholdsvis let at kilde og samle, der kræver kun begrænset ekspertise. Derudover inkubator shell design er fleksibelt og derfor kan være fremstillet af lokalt tilgængelige materialer. Dette er især ønskeligt for dem, der rejser til fjerntliggende steder, da bagageplads ikke er behov for en tung og omfangsrig shell. Afhængigt af skallen anvendes, mængden af rugemaskinen er også fleksible og kan være dimensioneret til at rumme en specifik stikprøvestørrelse. Den præsenteres set-up kan være brugt på – og off-grid, hvilket gør den robust strømafbrydelser eller manglende pålidelig strømforsyning. Mens visse design begrænsninger blev observeret, dette set-up op generelt viste sig for at være effektivt med en vifte af omgivende temperatur betingelser (3,5 ° C til 39 ° C).
Der er flere trin i protokollen, der er kritiske for at opnå en inkubator design passer til ens behov. Først er udvælgelsen af de elektriske komponenter i rugemaskinen. Alternative komponenter kan være valgt på grundlag af prisen eller den lokale tilgængelighed. Afhængigt af materialet markeret og deres tekniske specifikationer, kan rugemaskinen har ændret forestillinger i forhold til resultaterne præsenteres. En anden kritisk trin i protokollen er valget af shell materiale, som bør gøres baseret på de forventede række omgivelsestemperaturer, lokale strømforsyning og tilgængeligheden af materialer. Ved lavere omgivelsestemperatur (< 25 ° C), en shell fremstillet af polystyren skum eller en hård køler box anbefales at opnå en indstillede temperatur 37 ° c til 44,5 ° C. Baseret på den eksperimentelle data præsenteret, disse sæt ups kan forventes at nå den indstillede temperatur på 45-96 minutter og forbruge 0,78 – 1,05 kWh / 24h i kolde miljøer (3.5 til 7,5 ° C). Papkasse med overlevelse tæppe er ikke anbefales til brug ved lavere omgivelsestemperatur da dette sæt aldrig nået en stabil indstillet temperatur i eksperimentel observationsperioden. Ved moderat omgivende temperatur (27 ° C) er nogen af typerne shell testet acceptabelt, med ligner lidt større strømforbrug observeret for pap bokssættet op. Ved højere omgivende temperaturer (39 ° C) var kuvøse design præsenteres her tilbøjelige til overophedning, hvis medmindre den indstillede temperatur var endnu højere (dvs. 44,5 ° C). Derfor, ville sådanne betingelser kræver en afkøling enhed eller bruge i et klima kontrolleret rum.
Prisen for at bygge rugemaskinen præsenteres her var omkring 300 USD når materialer blev indkøbt i Schweiz. Disse omkostninger kan dog betydeligt lavere i forskellige steder, især hvis shipping gebyrer for elektroniske kernekomponenterne kan holdes på et minimum. Ændring af de forskellige komponenter beskrevet i protokollen kan yderligere reducere omkostningerne. Protokollen præsenteres her er begrænset, det sammenligner kun tre shell materiale typer på to sæt temperaturer, samt kontrol af mikrobiel vækst for E. coli kun. Fremtidig forskning bør teste dette inkubator design under en større vifte af temperatur parametre og bruge yderligere indikator for mikrobielle arter (fx Enterococcus) og patogener (f.eks., salmonella, Vibrio egnethed cholerae). Fremtidig forskning bør også fokusere på udviklingen af effektiv køling teknikker inden for inkubator, som gør det muligt for dets anvendelse i meget varme miljøer (> 40 ° C).
Til vores viden er der ingen andre kendte felt inkubator, der tilbyder fleksibel volumen kapacitet og er let demonterbare, mens de resterende transportable og lave omkostninger. Denne innovative alternativ til kommercielt tilgængelige væksthuse opfylder et behov for regeringer og organisationer med vandkvalitet og andre kultur-baseret test mål hvor par laboratoriefaciliteter er tilgængelige. Når parret med enkle vandkvalitet test udstyr, kan denne inkubator hjælpe praktiserende læger med begrænset kapacitet til at etablere permanent eller årstidens laboratorier til en rimelig pris. Ved at øge antallet af laboratorier i fjerntliggende områder, bliver bestræbelser på at gennemføre regelmæssige vand kvalitet overvågning eller opnå punktlig overvågning af system operationer mere og mere gennemførlig.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning blev støttet af den schweiziske agentur for udviklingssamarbejde og REACH-programmet finansieret af britiske støtte fra det britiske Department for International Development (DFID) til fordel for udviklingslandene (Vædderen kode 201880). De synspunkter og oplysninger, der findes i det er ikke nødvendigvis dem af eller godkendt af disse agenturer, som accepterer intet ansvar for sådanne synspunkter eller oplysninger eller for enhver tillid placeret på dem. Forfatterne også takke Arnt Diener for hans bidrag til tidlig gentagelser af polystyren skum inkubator prototype.
Heating foil | Thermo | 2115337 | Self-adhesive 10×20 cm; Operating voltage 12V; Power 20W |
Axial fan | Yen Sun Technology Corp. | FD126025MB | 6x6x2.5 cm; Operating voltage 12VDC; Power 1.44W; Max. current consumption 60mA |
PID Temperature Controller | Wachendorff Automation GmbH & Co. KG | UR3274S | PID controller 32×74 mm; Universal input for process signals, thermocouples, Pt100; Operating voltage 24 VDC; Outputs (thermostats) 10 A relay, 5 A relay, SSR, RS 485 |
Temperature sensor Pt100 | Conrad | 198466 | Temperature range -100°C to 200°C; Sensor Pt100, Type FS-400P |
Universal enclosure | OKW Gehäuse System | C2012201 | Dimensions 200 x 120 x 60 mm |
ON/OFF Switch | SHIN CHIN INDUSTRIAL CO. | R13-70A-01 | Connection Type C CEE 7/16 plug 6.3 mm; Contact resistance Max 50 mΩ; Switching voltage 24 VDC; Switching current (mx.) 10A; Insulation resistance Min 100 MΩ/500 Vdc |
DC/DC converter | Traco Power | TMDC 60-2412 | Nominal voltage 24 VDC; Input voltage 9-36 VDC; Output voltage 12 VDC; Max. output current 5 A; Power 60W |
AC power adapter | Bicker Elektronik | BET-0612 | Output voltage 12 VDC; Max. output current 5 A; Input voltage 115-230 VAC |
Spacer | Schäfer Elektromechanik | 20/4 | Without thread; Thread size M4; Polystyrene; Distance 20 mm |
Cable gland | WISKA | 10066410 | M12 x 1.5 cm; clamping range 3 – 7 mm |
Luster terminal | Adels Contact | 125312 | Nominal current 25 A; Nominal Voltage 500V |
Screw M4 x 50 | Bossard | 1579010 | M4 x 50 mm |
Screw nut M4 | Bossard | 1241478 | M4 |
Washer M4 | Bossard | 1887505 | M4 |
Screw M3 x 25 | Bossard | 1211099 | M3 x 25 mm |
Screw nut M3 | Bossard | 1241443 | M3 |
Washer M3 | Bossard | 1887483 | M3 |
Support plate | - | - | Insulating material (plastic or other); 28 x 25 cm |