Denne artikkelen beskriver en metode for å bygge en tilpasses, rimelig og transportable inkubator for mikrobiell testing av drikkevann. Vår design er basert på lett tilgjengelige materialer og kan operere under en rekke feltforhold, samtidig tilby fordelene med høyere-end laboratorie-baserte modeller.
Inkubatorer er avgjørende for en rekke kultur-baserte mikrobiell metoder, for eksempel membran filtrering etterfulgt av dyrking for å vurdere drikkevann kvalitet. Kommersielt tilgjengelige inkubatorer er imidlertid ofte kostbare, vanskelige å transportere, ikke fleksible i volum, og/eller dårlig tilpasset lokale feltforhold der tilgang til elektrisitet er upålitelig. Formålet med denne studien var å utvikle en tilpasses, rimelig og transportable inkubator som kan konstrueres ved hjelp av lett tilgjengelige komponenter. Elektronisk kjernen i inkubator ble først utviklet. Disse komponentene ble deretter testet under en rekke omgivelsestemperatur forhold (3,5 ° C – 39 ° C) med tre typer inkubator skjell (polystyren skum boks, hard kjøler boks og pappeske dekket med en overlevelse teppe). Elektronisk kjernen viste sammenlignbar ytelse til en standard laboratorium inkubator i tiden det tar å nå den innstilte temperaturen, indre temperatur stabilitet og romlig spredning, strømforbruk og mikrobiell vekst. Inkubator set-ups var også effektiv på moderat og lave temperaturer (mellom 3,5 ° C og 27 ° C), og ved høye temperaturer (39 ° C) når inkubator temperaturen var høyere. Denne prototypen inkubator er rimelig (< 300 USD) og tilpasningsdyktig til ulike materialer og volumer. Demonterbare strukturen gjør det enkelt å transportere. Den kan brukes i både etablerte laboratorier med strømnettet eller Fjernhjelp drevet av solenergi eller et bilbatteri. Det er spesielt nyttig som ekstrautstyr utstyr for feltet laboratorier i områder med begrenset tilgang til ressurser for overvåking av kvaliteten på vannet.
Kultur-baserte metoder for påvisning av mikrobielle forurensninger er den state-of-the-art for vann kvalitet analyse i både industrialiserte og utviklingsland1,2. Mikroorganismer finnes i mange miljøer og krever forskjellige temperaturer for optimal vekst. Derfor er skaper et temperatur-stabil inkubasjon miljø en forutsetning for pålitelig påvisning av mikrobielle forurensning av bekymring i drikkevann. Ifølge Verdens helseorganisasjon er Escherichia coli (E. coli) (eller eventuelt thermotolerant coliforms (TTC)) de mest passende indikatorene fecal forurensning i drikkevannet3. Påvisning av disse organismer består av, for eksempel filtrering en 100 mL vann utvalget gjennom en membran etterfulgt av inkubering av membranen på selektiv medier på 35-37 ° C (E. coli) eller 44-45 ° C (TTC)3.
Feltet-baserte programmer av kultur-baserte metoder har blitt stadig viktigere de siste årene. Under bærekraftig utvikling mål 6, mål 6.1, har regjeringer forpliktet til regelmessig rapport bakteriologiske kvalitet av drikkevann på nasjonalt nivå4. I tillegg til slikt offentlig helse overvåking arbeid, er operasjonell overvåkning av vannet infrastruktur jevnlig gjennomført på lokalt eller regionalt nivå5. Disse overvåking og avlytting kampanjer er ofte i avsidesliggende steder hvor nødvendig laboratorium infrastrukturen er utilstrekkelig eller utilgjengelig. 6 tilsvarende kultur-baserte metoder er mye brukt i medisinsk diagnose og mikrobiologiske forskning der lokale klinikker og forskningsinstitusjoner kan bli utfordret av begrensede ressurser og usikre strømforsyninger7.
I de ovennevnte sammenhenger er konvensjonelle inkubatorer ofte utilstrekkelig eller utilgjengelig. Som et alternativ, har feltet inkubatorer er spesielt utviklet for bruk utenfor laboratoriet, f.eks Aquatest prosjektet8, University of Bristol, Storbritannia. DelAgua9, Marlborough, Storbritannia. eller Aquagenx10, University of North Carolina, USA. Men er disse enhetene relativt små i volum, dermed begrense antall eksempler som kan behandles samtidig. Feltet Inkubatorer på markedet er også ikke designet til å operere under svært lav ( 40 ° C) omgivelsestemperatur forhold, gjør deres bruk i ørkenen eller alpine forhold vanskelig. Videre inkluderer alternative løsninger yoghurt-making apparater11, kroppen belter og fase-endring inkubatorer12. Men kan slike ukonvensjonelle inkubatorer fungere unreliably eller være tyngende å operere11.
Det er derfor et behov for en inkubator som gir fordeler av laboratorie-baserte modeller (brukervennlighet, større volum, og temperaturen presisjon) mens resterende egnet for feltet programmer (rimelig, lett transporteres og vedlikeholdt, robusthet til en spekter av temperaturer, energieffektive og motstandsdyktige mot intermitterende strømforsyning) (tabell 1). Formålet med denne protokollen er å detalj fabrikasjon prosessen med en rimelig inkubator konstruert fordelene med både konvensjonell og feltbaserte modeller bruker allment tilgjengelig materiale.
Karakteristisk | Laboratorie-baserte | Feltet | Optimalisert |
Bruker vennlig design | |||
Stor kapasitet | |||
Robust til bredt spekter av temperaturer | |||
Holder konstant temperatur | |||
Lave kostnader | |||
Lett transporteres | |||
Energieffektive | |||
Motstandsdyktige mot intermitterende strømforsyning |
Tabell 1: Kjennetegner kommersielt tilgjengelig inkubatorer (laboratorie-baserte og felt) og optimalisert tilnærming.
Følgende montering protokollen angir nødvendige materialer og trinn for å bygge inkubator. Det er strukturert i fire trinn: først, montering av oppvarming enhet; andre, montering av kontrollenheten; tredje, montering av inkubator elektrisk kjernen; og fjerde, montering av inkubator. Denne protokollen forklarer byggingen av elektroniske kjernen i inkubator, kan arbeide med en rekke inkubator skjell. Se Tabellen for materiale for en fullstendig liste over alle komponenter som brukes i protokollen og sine tekniske spesifikasjoner. Protokollen nedenfor presenterer en funksjonell eksempel av feltet inkubator, men fleksibel bruk av ulike komponenter er mulig så lenge de oppfyller kravene elektrisk. Bruke forskjellige komponenter kan påvirke forestillinger av inkubator. Det anbefales at bygging og ledninger av elektriske komponenter gjøres av en person dyktig i det elektriske feltet.
Under bærekraftig utvikling mål 6.1, er etterspørselen etter vann kvalitet prøvetaking økende, spesielt i avsidesliggende rurale områder der kartleggingen er mindre etablerte14. En stor hindring for å implementere vanlig vannkvalitet testing i disse innstillingene er dårlig tilgang til laboratorier støtter mikrobiell metoder6. Dette dokumentet presenterer en metode for en pålitelig inkubator laget av materialer som er relativt billig og lett tilgjengelig. De elektriske komponentene er relativt lett å kilde og montere, krever bare begrenset ekspertise. Videre inkubator shell design er fleksibelt, og derfor kan konstrueres fra lokalt tilgjengelige materialer. Dette er særlig ønskelig for dem som reiser til eksternt, siden bagasjeplass ikke er nødvendig for en tung og klumpete skall. Avhengig av skallet brukes, volumet av inkubatoren er også fleksible og kan vises til en bestemt utvalgsstørrelsen. Presentert oppsettet kan brukes på – og off-grid, som gjør det robust strøm kutt eller fravær av pålitelig strømforsyning. Mens enkelte design begrensninger ble observert, vist dette oppsettet opp generelt seg effektiv under en rekke omgivelsestemperatur forhold (3,5 ° C til 39 ° C).
Det er flere trinn i protokollen som er avgjørende for å oppnå en inkubator design passer til ens behov. Først er valg av de elektriske komponentene av inkubator. Alternative komponenter kan velges basert på pris eller lokal tilgjengelighet. Avhengig av materialet valgt og deres tekniske spesifikasjoner, kan inkubator ha endret forestillinger i forhold til resultatene som presenteres. En annen avgjørende skritt i protokollen er valget av shell materiale, som bør gjøres basert på forventet rekke temperaturer, lokale strømnett og tilgjengelighet av materialer. Ved lavere temperaturer (< 25 ° C), et skall laget av polystyrenskum eller en vanskelig kjøler boks anbefales å oppnå tildekket 37 ° c til 44,5 ° C. Basert på eksperimentelle data presenteres, disse angir ups kan forventes å nå innstilte på 45-96 minutter og forbruker 0.78 – 1.05 kWh / 24h i kalde miljøer (3,5 til 7.5 ° C). Pappeske med overlevelse teppe er ikke anbefalt for bruk ved lavere temperaturer siden dette setter opp aldri nådd en stabil plassert temperatur under eksperimentelle observasjon. Ved moderat omgivelsestemperatur (27 ° C) er noen av shell testet akseptabelt, med lik litt større strømforbruk observert i papp samleboksen opp. Ved høyere temperaturer (39 ° C) var inkubator design presenteres her utsatt for overoppheting hvis med mindre innstilte var enda høyere (dvs. 44,5 ° C). Derfor ville slike forhold kreve en kjøleenhet eller bruk i klima kontrollerte plass.
Kostnaden ved å bygge inkubator presenteres her var ca 300 USD når materialer ble hentet i Sveits. Men bli disse kostnadene vesentlig lavere i forskjellige steder, spesielt hvis frakt avgifter for de elektroniske komponentene kan holdes til et minimum. Endring av ulike komponenter beskrevet i protokollen kan ytterligere redusere kostnadene. Protokollen presenteres her er begrenset fordi det sammenligner tre shell materialet typer på to innstilte temperaturene, samt verifisering av mikrobiell vekst for E. coli bare. Fremtidig forskning bør teste egnetheten av denne inkubator design under et større utvalg av temperatur parametere og bruke ekstra mikrobiell indikator arter (f.eks Enterococcus) og patogener (f.eks salmonella, Vibrio cholerae). Fremtidig forskning bør også fokusere på utvikling av effektiv kjøling teknikker i inkubator, som ville tillate for bruk i svært varme miljøer (> 40 ° C).
Vi vet er det ingen andre kjente feltet inkubator som gir tilpasningsdyktig volumkapasitet og er lett demonterbart, mens resterende transportable og rimelig. Denne innovative alternativ til kommersielt tilgjengelig inkubatorer oppfyller behov for regjeringer og organisasjoner med vannkvalitet og andre kultur-baserte testing mål der noen laboratoriefasiliteter er tilgjengelige. Når sammenkoblet med enkel vannkvalitet prøveutstyr, kan denne inkubator hjelpe utøvere med begrenset kapasitet til å etablere permanent eller sesongmessige laboratorier til en rimelig pris. Ved å øke antallet laboratorier i avsidesliggende områder, blir tiltak for å gjennomføre vanlig vann kvalitet overvåking eller oppnå presis overvåking av systemoperasjoner stadig mer gjennomførbart.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskningen ble støttet av Swiss Direktoratet for utviklingssamarbeid og nå programmet finansiert av UK Aid fra UK Department for International Development (DFID) til fordel for utviklingsland (Væren koden 201880). Synspunkter og informasjon i det er ikke nødvendigvis de av eller godkjent av disse byråene, som aksepterer ikke ansvar for slike visninger eller informasjon eller stoler på dem. Forfatterne takker også Arnt Diener for hans bidrag til tidlig gjentakelser av polystyren skum inkubator prototypen.
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 |