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Construcción de una incubadora móvil de bajo costo para campo y laboratorio

Published: March 19, 2019 doi: 10.3791/58443
Automatic Translation
1, 2, 3, 4, 2, 1
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

Summary

Este artículo describe un método para la construcción de una incubadora adaptable, transportable y de bajo costo para la prueba microbiana del agua potable. Nuestro diseño se basa en materiales ampliamente disponibles y puede funcionar en una variedad de condiciones de campo, mientras que todavía ofrece las ventajas de modelos de laboratorio de mayor nivel.

Abstract

Incubadoras son esenciales para una variedad de métodos microbianos basado en la cultura, como la filtración de membrana, seguido por el cultivo para evaluar la calidad del agua potable. Sin embargo, incubadoras disponibles comercialmente son a menudo costosos, difíciles de transportar, no flexible en términos de volumen, o mal adaptadas a las condiciones locales de campo donde el acceso a la electricidad es poco fiable. El propósito de este estudio fue desarrollar una incubadora adaptable, transportable y de bajo costo que puede construirse utilizando componentes fácilmente disponibles. Primero se desarrolló la electrónica base de la incubadora. Estos componentes entonces fueron probados en una variedad de condiciones de temperatura ambiente (3,5 ° C - 39 ° C) usando tres tipos de conchas de incubadora (caja de la espuma de poliestireno, caja del refrigerador de disco duro-a y caja de cartón cubierta con una manta de supervivencia). La base electrónica mostró rendimiento comparable a una incubadora de laboratorio estándar en términos del tiempo requerido para alcanzar la temperatura, estabilidad de la temperatura interior y dispersión espacial, consumo de energía y crecimiento microbiano. Las configuraciones de la incubadora también eran eficaces en temperaturas moderadas y bajas (entre 3.5 ° C y 27 ° C) y temperaturas altas (39 ° C) cuando la incubadora temperatura fue mayor. Este prototipo de incubadora es de bajo costo (< 300 USD) y adaptables a una variedad de materiales y volúmenes. Su estructura desmontable hace fácil de transportar. Puede ser utilizado en ambos laboratorios establecidos con energía de la rejilla o en la configuración del control remoto accionado por energía solar o una batería de coche. Es particularmente útil como una opción de equipo para laboratorios de campo en áreas con acceso limitado a recursos para el monitoreo de la calidad del agua.

Introduction

Métodos basados en la cultura para la detección de contaminantes microbianos son el estado del arte para el análisis de la calidad del agua en los industrializados y los países en desarrollo1,2. Microorganismos existen en muchos ambientes y requieren diversas condiciones de temperatura para un crecimiento óptimo. Por lo tanto, crear un ambiente de incubación temperatura estable es una condición previa para la detección confiable de contaminantes microbianos de interés en el agua potable. Según la Organización Mundial de la salud, Escherichia coli (e. coli) (o bien de coliformes termotolerantes (TTC)) son los más adecuados indicadores de contaminación fecal en agua potable3. Detección de estos organismos consiste en, por ejemplo, filtrado de muestra 100 mL de agua a través de una membrana seguida de incubación de la membrana en medios selectivos a 35-37 ° C (e. coli) o 44-45 ° C (TTC)3.

Aplicaciones en el campo de los métodos basados en la cultura se han vuelto cada vez más relevantes en los últimos años. Bajo el objetivo de desarrollo sostenible 6, 6.1 objetivo, los gobiernos se han comprometido a regularmente informe de calidad bacteriológica del agua potable en el nivel nacional4. Además de estos esfuerzos de vigilancia de salud pública, control operativo de la infraestructura de agua es regularmente llevado a cabo en el nivel local o regional5. Estas campañas monitoreo y vigilancia son a menudo en lugares remotos donde la infraestructura de laboratorio requerida es inadecuada o no disponible. 6 Asimismo, los métodos basados en la cultura son ampliamente utilizados en diagnóstico médico e investigación microbiológica donde clínicas locales e instituciones de investigación pueden ser recusadas por escasez de recursos y fuentes de alimentación inseguro7.

En los anteriores contextos, incubadoras convencionales son a menudo inadecuados o no disponible. Como alternativa, incubadoras de campo han sido desarrollados específicamente para su uso fuera del laboratorio, por ejemplo, el Aquatest proyecto8, Universidad de Bristol, Reino Unido; DelAgua9, Marlborough, Reino Unido; o Aquagenx10, Universidad de Carolina del norte, Estados Unidos. Sin embargo, estos dispositivos son relativamente pequeños en volumen, lo que limita el número de muestras que pueden procesarse simultáneamente. Incubadoras de campo en el mercado también no están diseñados para operar bajo muy bajo (< 20 ° C) o muy alta (> 40 ° C) condiciones de temperatura ambiente, dificultando su uso en entornos alpinos o desierto. Otros alternativas incluyen yogur-fabricación aparatos11, los cinturones corporales y cambio de fase incubadoras12. Sin embargo, estas incubadoras no convencionales pueden no fiable de la función o gravosos para operar11.

Hay así una necesidad de una incubadora que ofrece las ventajas de los modelos basados en el laboratorio (facilidad de uso, mayor volumen y precisión de la temperatura) sin dejar de ser adecuado para aplicaciones de campo (bajo costo, fácilmente transportado y mantenido, robustez a un gama de temperaturas ambiente, eficiencia energética y fuentes de alimentación resistente intermitente) (tabla 1). El propósito de este protocolo es detallar el proceso de fabricación de una incubadora de bajo coste diseñado para optimizar las ventajas de los modelos convencionales y en el campo usando el material disponible.

Característica En laboratorio Campo Optimizado
Diseño de uso fácil Check X Check
Gran capacidad Check X Check
A amplia gama de temperaturas ambiente Check X Check
Mantiene la temperatura constante Check X Check
Bajo costo X Check Check
Transportar fácilmente X Check Check
Eficiente de la energía X Check Check
Fuente de alimentación resistente a intermitente X Check Check

Tabla 1: Características de incubadoras disponibles comercialmente (en laboratorio y de campo) y el enfoque optimizado.

El siguiente protocolo de Asamblea especifica los materiales necesarios y pasos para la construcción de la incubadora. Está estructurado en cuatro pasos: primero, el montaje de la unidad de calentamiento; segundo, montaje de la unidad de control; Tercera Asamblea de la base eléctrica de la incubadora; y cuarto, montaje de la incubadora. Este protocolo explica la construcción de la base electrónica de la incubadora, que permite trabajar con una variedad de conchas de la incubadora. Vea la Tabla de materiales para una lista completa de todos los componentes utilizados en el protocolo y sus características técnicas. El protocolo siguiente presenta un ejemplo funcional de la incubadora de campo, pero un uso flexible de los distintos componentes es posible siempre y cuando cumplan con los requisitos eléctricos. Usando diferentes componentes puede influir en las actuaciones de la incubadora. Se recomienda hacer la construcción y el cableado de los componentes eléctricos por una persona experta en el campo eléctrico.

Protocol

1. unidad de calefacción

  1. Se reúnen los siguientes componentes (figura 1):
    EquationSoporte de la bandeja (280 x 250 mm) con agujeros de anclaje necesarios
    EquationVentilador axial (60 x 60 x 25 mm); 2 x
    EquationEspaciador (longitud 20 mm, diámetro interno 4,25 mm (M4)); 4 x
    EquationTerminal del lustre con tres pernos
    EquationTuerca del tornillo (M4); 4 x y (M3); 1 x
    EquationArandela (M4); 8 x y (M3); 1 x
    EquationTornillo (M4); 4 x y (M3); 1 x

Figure 1
Figura 1: Componentes individuales de la unidad de calentamiento.  Equation Soporte de la bandeja, Equation ventiladores axiales, Equation separadores, Equation terminal del lustre, Equation tornillo tuercas, Equation arandelas y Equation tornillos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Taladre los orificios necesarios (figura 2) en la placa de soporte Equation para garantizar los ventiladores axiales Equation así como de la terminal de lustre Equation (figura 1).

Figure 2
Figura 2: diagrama esquemático de la placa de apoyo. Indicaciones para perforar los agujeros de anclaje en la placa de apoyo para fijar los ventiladores axiales así como el terminal de brillo. Distancias se dan en milímetros. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Los ventiladores axiales de ancla Equation en el centro de la placa de soporte Equation como se muestra en la figura 3 , con dos tornillos M4, tornillos tuercas y arandelas Equation , Equation , Equation por ventilador. Utilice los espaciadores Equation dejar una distancia entre los ventiladores y la placa del soporte (figura 3).
  2. Anclaje terminal lustre Equation a la placa de soporte Equation con tornillo, tuerca y arandela M3. Seguro los fans de cable. (Figura 3).
  3. Conecte los cables del ventilador con el terminal de brillo. Conecte los cables positivos de cada conjunto de ventilador y los cables negativos de cada ventilador junto (figura 3). El sensor de velocidad no es necesario.

Figure 3
Figura 3: ventiladores axiales fijos en la placa de apoyo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Nota: Los colores de cable mencionados corresponden a los utilizados en las figuras. Los colores de cable pueden cambiar dependiendo del material utilizado.

2. unidad de control (alimentación)

  1. Se reúnen los siguientes componentes:
    EquationGabinete universal (aquí 200 x 120 x 60 mm, pero dimensiones dependerá del tamaño del convertidor DC/DC y el controlador de temperatura PID)
    EquationEn/apagado-interruptor de
    EquationVoltaje 12V de salida del convertidor DC/DC, rango de voltaje de entrada 9 - 36V,
    EquationControlador de temperatura PID, 12-35 V/DC tensión
    EquationPrensaestopas, M12 x 15 mm, fijación gama 2-7.5 m m (o según el cable utilizado)
    EquationSensor de temperatura Pt100
    EquationFuente de corriente alterna
    Nota: La incubadora puede conectarse a la red eléctrica o a una batería. En el caso de la operación de la red, la fuente de alimentación de CA se requiere y si la unidad está conectada exclusivamente a red, el convertidor DC/DC no es obligatorio. En el caso de funcionamiento con batería, el convertidor DC/DC es muy recomendable, y un cable de dos hilos es necesario en lugar de la fuente de alimentación de CA. Este protocolo presenta la versión con el convertidor DC/DC y la fuente de alimentación de CA. Un esquema eléctrico de la base eléctrica de la incubadora es detallado en el material complementario (figura S1).
  2. Las aberturas para el controlador de temperatura PID, on/off interruptor y cables dentro de la carcasa del molino con un taladro y una sierra caladora o una herramienta equivalente (figura 4).

Figure 4
Figura 4: diagrama esquemático de la caja universal. (a) las indicaciones para poner el controlador de temperatura Equation , interruptor on/off Equation y las glándulas de cable Equation en el recinto universal; Distancias se dan en milímetros. (b) vista 3D del recinto universal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Conecte el convertidor DC/DC para el interruptor de encendido: Conecte el cable positivo del transformador de CA para el interruptor de encendido/apagado y el cable negativo del adaptador de CA a la "-Vin" del convertidor DC/DC (figura 5).
  2. Utilice un cable para conectar el interruptor de on/off+ Vin"del convertidor DC/DC (figura 5).

Figure 5
Figura 5: montaje unidad de control Gabinete universal Equation con convertidor DC/DC Equation conectado al controlador de temperatura PID Equation e interruptor on/off Equation . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Conecte los cables de la unidad de calentamiento en el controlador de temperatura PID de la siguiente manera (figura 6):
    1. Conectar el terminal "1" del controlador de temperatura PID para el cable de "DC –" de la calefacción conexión de la unidad y a la "-Vout" terminales del convertidor DC/DC.
    2. Conectar el "DC +" cable que vaya hasta la unidad de calefacción al terminal "4" del controlador de temperatura PID, así como para el terminal "2" del controlador de temperatura PID (ver punto 3.2).
    3. Conecte el terminal "2" del controlador de temperatura PID+ Vout"terminales del convertidor DC/DC.
    4. Conecte el terminal "5" del controlador de temperatura PID "comando" ir a la unidad de calentamiento. (ver punto 3.2).
    5. Conecte el sensor de temperatura en los terminales "10", "11" y "12".
      Nota: El cable rojo del sensor de temperatura debe conectarse al terminal "11" del controlador de temperatura PID.
  2. El convertidor DC/DC con cinta de Velcro en la parte inferior de la caja de ancla y cerrar la caja universal.

Figure 6
Figura 6: Cable de conexión del convertidor DC/DC con controlador de temperatura PID. Convertidor DC/DC Equation , controlador de temperatura PID Equation , conexión a la incubadora (cable A) y conexión para sensor de temperatura (cable B). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Nota: Las funciones de los terminales de controlador de temperatura PID utilizados están dadas en la tabla 2.

Controlador de temperatura PID terminal Función
Terminal "1" Entrada de alimentación +
Terminal "2" Fuente de entrada-
Terminal "4" Contacto común de salida de control
Terminal "5" Control salida contacto normalmente abierto

Tabla 2: Funciones correspondientes a los terminales de control de temperatura PID.

3. montaje de la base eléctrica de incubadora

  1. Se reúnen los siguientes componentes:
    Unidad de calefacción de la sección 1
    Unidad de control de la sección 2
    EquationCalefacción de Láminas autoadhesivas, 100 x 200 mm, V/20 de 12 W, 2 x
  2. Conectar los cables de conexión de la unidad de control a la unidad de calefacción como sigue (figura 7):
    1. Conecte el cable de "DC -" de la unidad de control con un conductor de cada una de las hojas de la calefacción y el cable negativo de cada ventilador.
    2. Conecte el "DC +" de la unidad de control con el cable positivo de cada ventilador.
    3. Conecte el cable de "comando" de la unidad de control a los restantes conductores de las láminas de calefacción.

Figure 7
Figura 7: Cable de conexión de láminas de calefacción Equation con controlador de temperatura PID. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Nota: La base eléctrica de incubadora de campo completado de la incubadora se muestra en la figura 8.

Figure 8
Figura 8: Base eléctrica de incubadora de campo completo. Unidad de calentamiento Equation , unidad de control Equation y sonda de temperatura Equation . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

4. montaje de la incubadora

  1. Se reúnen los siguientes componentes:
    Central eléctrica de incubadora
    Cáscara de la incubadora (aquí un poliestireno caja de la espuma, pero puede ser cualquier tipo de caja hecho de material aislante)
    Soporte estante (aquí un metal rack, pero puede ser otro material)
  2. Junte los componentes de la incubadora como sigue (figura 9):
    1. Coloque la cáscara de la incubadora por su parte, para que la apertura de la incubadora (puerta) está situada en un lado.
    2. Coloque la placa de apoyo con la unidad de calentamiento en la parte inferior de la cáscara de la incubadora.
    3. Coloque la rejilla de apoyo sobre la unidad de calentamiento, dejando un espacio mínimo de 10 cm entre la unidad de calefacción y la parrilla.
    4. Coloque la sonda de temperatura en el soporte y fíjela en la incubadora.
  3. Perfore agujeros en la puerta de la incubadora para permitir la entrada de los cables (figura 9).
  4. Conectar la incubadora a la fuente de alimentación.
  5. Encienda la incubadora y ajuste los parámetros del controlador PID de temperatura (ver Tabla S1 en el material complementario para la configuración detallada).

Figure 9
Figura 9: incubadora de campo completa. Abierto (izquierda) y cerrado (derecha). Unidad de calentamiento Equation , estante de la ayuda Equation , sonda de temperatura Equation , unidad de control Equation , shell de incubadora Equation y agujeros para los cables en la cáscara de la incubadora (área dentro de un círculo). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Nota: La cáscara de la incubadora puede ser una caja de cualquier tipo de material. Se recomienda utilizar un material aislante, y que la caja se cierra herméticamente para evitar la disipación del calor. La rejilla de apoyo debe contener orificios grandes para evitar la acumulación de calor en la parrilla, y el material puede ser metal u otro (plásticopor ejemplo ).

Representative Results

La fiabilidad de una incubadora de campo robusto radica en su capacidad para alcanzar y mantener una temperatura de ajuste bajo varias condiciones. Para supervisar el rendimiento de las diferentes configuraciones de incubadora, se realizaron las siguientes mediciones: tiempo necesario para llegar a la temperatura, efecto de la apertura de la puerta durante un minuto, consumo de energía durante 24 horas de operación, estabilidad de la temperatura interna más 24 horas de operación y la observación del crecimiento de e. coli . La temperatura dentro de la incubadora se midió cada minuto con 4 dispositivos de registro de temperatura colocados en diferentes posiciones en la estructura (soporte rack, pared, tapa, dentro de una placa de crecimiento). La temperatura era considerada ser logrado cuando todas las mediciones fueron dentro de más o menos 2 ° C, que es el rango aceptable para la incubación de e. coli. 13

La base electrónica se probó con tres tipos de conchas, utilizando materiales que típicamente se encuentran en muchos países: una caja de espuma de poliestireno (78 litros), una nevera portátil plástico duro-a (30 litros) y una caja de cartón cubren con una manta de supervivencia (46 litros) ( Figura 10). Para cubrir un rango de condiciones ambientales que pueden ser experimentados en el campo, se analizaron estas configuraciones de incubadora en tres temperaturas: ambiente (aproximadamente 27 ° C), frío (aproximadamente 3,5 ° C 7,5 ° C) y caliente (alrededor de 39 ° C). Medidas de desempeño se probaron ajuste de la temperatura interna de 37 º C y 44,5 ° C.

El tiempo para alcanzar la temperatura de las incubadoras fue influenciado por la temperatura ambiente y el material de la cáscara de la incubadora. A una temperatura ambiente de alrededor de 27 ° C, las configuraciones de tres incubadoras alcanzaron las temperaturas sets (37 ° C y 44,5 ° C) en un tiempo similar (figura 11a y 12a) y comparable con el funcionamiento de una incubadora estándar (tabla 3). En ambientes fríos (3.5 ° C y 7,5 º C), las incubadoras con cáscaras gruesas, es decir, la espuma de poliestireno y una caja más fresca, alcanzaron las temperaturas sistema objetivo (37 ° C y 44,5 ° C) en un tiempo similar; cerca de cuatro veces más que bajo una temperatura ambiente de 27 ° C. Con su aislamiento inferior, la caja de cartón con manta de supervivencia nunca plenamente alcanzado las temperaturas del sistema bajo condiciones de temperatura ambiente frío (Figura 11b y 12b). En un ambiente cálido (39 ° C), la configuración de tres incubadora alcanzó la temperatura de 44,5 ° C en menos de 10 minutos (figura 12 c). Sin embargo, cuando la temperatura era de 37 ° C, es decir, inferior a la temperatura ambiente, ninguno de las incubadoras podría bajar la temperatura, lo que resulta en sobrecalentamiento para todos incubadora tres set ups (figura 11 c).

La temperatura y el tipo de shell incubadora influyeron el impacto de la apertura de la puerta de la incubadora durante un minuto. La pérdida de calor fue mayor en el ambiente frío, y el tiempo para recuperar la temperatura set interna era más largo, a excepción de la incubadora de la caja de cartón donde el conjunto de las temperaturas no fueron nunca alcanzado (figura 13b y 14b de la figura). En los ambientes más cálidos, la pérdida de calor era limitada y el conjunto de las temperaturas se recuperaron en menos de 10 minutos (figura 13ac y figura 14ac). En una temperatura de 39 ° C y temperatura de 37 ° C, abrir la puerta no causar ni reducir el sobrecalentamiento de las incubadoras (figura 13 c).

El consumo de energía aumentó con ambientes fríos y con un aumento en la temperatura. Mejor aislante conchas de incubadora (espuma de poliestireno y una caja más fresca) mostró un menor consumo de energía en comparación con la incubadora de la caja de cartón. En ambientes similares (temperatura ambiente de alrededor de 27 ° C), la energía de 0,22 a 0,52 kWh / 24h menos de tres incubadora configuraciones consumidos que las incubadoras estándar probados (cuadro 3).

Se mantuvo estable la temperatura en la incubadora más de 24 horas con todo tipo de conchas de la incubadora y la temperatura ambiente probado (figura 13 y figura 14). Se observaron pequeñas variaciones de la temperatura medida en comparación con la temperatura según la posición del dispositivo de registro de temperatura en la incubadora. Con la excepción de las pruebas con la temperatura (39 ° C) más caliente que la temperatura (37 ° C) (figura 13 c), las variaciones de temperatura fueron todos dentro del rango aceptable de 2 ° C para la incubación de la e. coli .

Todas las pruebas se realizaron en presencia de e. coli y materiales de medición de coliformes totales (filtro de membrana colocado en la placa de crecimiento). Repeticiones de una muestra se colocaron en cada instalación de incubadora y en una incubadora estándar para la comparación. En todas las configuraciones y condiciones, el crecimiento de e. coli y coliformes totales era acertado y comparable con el crecimiento observado en la incubadora estándar. Un resumen de las configuraciones de la incubadora y las condiciones de temperatura ambiente probadas con resultados se muestran en la tabla 3.

Prueba 1:
Tiempo a temperatura		 Prueba 2:
Puerta lateral un minuto		 Prueba 3:
Consumo de energía durante 24 horas		 Prueba 4:
Variación de la temperatura sobre período de 24 horas		 Prueba 5:
Crecimiento de e. coli observado
Temperatura ambiente Temperatura de ajuste (min) Pérdida máxima de la temperatura (° C); tiempo para recuperar la temperatura (min) (kWh/24 h) Temperatura máxima absoluta (° C); temperatura mínima absoluta (° C) * (Sí / No)
Caja de espuma de poliestireno 3.5 ° C 37 ° C 45 10 ° C; 17 min 0,78 37; 35.5 Sí
7,5 ° C 44,5 ° C 74 16,5 ° C; 31 min 0,89 44,5; 42.5 ND†
27 ° C 37 ° C 12 2,5 ° C; 3 min 0.28 37.5; 36.5 Sí
44,5 ° C 20 4,5 º C; 7 min 0.43 44,5; 43.5 ND†
39 ° C 37 ° C 0 (sobrecalentamiento) 2 ° C; 0 min (sobrecalentamiento) 0.11 42.5; 42 Sí
44,5 ° C 7 3.5 ° C; 5 min 0.17 45; 43.5 ND†
Caja del refrigerador de disco duro-a 3.5 ° C 37 ° C 54 8 ° C; 10 min 0.86 37.5; 36 Sí
7,5 ° C 44,5 ° C 96 12 ° C; 30 min 1.05 45; 43 ND†
27 ° C 37 ° C 13 1,5 ° C; 0 min 0.27 37.5; 36.5 Sí
44,5 ° C 25 2 ° C; 4 min 0.50 45; 43.5 ND†
39 ° C 37 ° C 0 (sobrecalentamiento) 1 ° C; 0 min (sobrecalentamiento) 0.11 43; 42.5 Sí
44,5 ° C 9 4 ° C; 3 min 0.19 45,5; 44.5 ND†
Caja de cartón con manta de supervivencia 3.5 ° C 37 ° C Nunca alcanzada (temperatura estable después de 109 min) 6,5 º C; temperatura estable después de 30 min 1.24 33.5; 30.5 Sí
7,5 ° C 44,5 ° C Nunca alcanzada (temperatura estable después de 120 min) 8 ° C; temperatura estable después de 20 min. 1.28 36.5; 32 ND†
27 ° C 37 ° C 15 2,5 ° C; 6 min 0.42 36.5; 35.5 Sí
44,5 ° C 24 3 ° C; 8 min 0.70 44,5; 42.5 ND†
39 ° C 37 ° C 0 (sobrecalentamiento) 1,5 ° C; 0 min (sobrecalentamiento) 0.11 41.5; 40 Sí
44,5 ° C 9 2 ° C; 0 min 0.20 45; 43.5 ND†
Incubadora estándar 27 ° C 37 ° C 18 1 ° C; 0 min (sobrecalentamiento) 0,64 38.5; 36 ND†
44,5 ° C 23 (sobrecalentamiento) 2,5 ° C; 0 min 0.95 47.5; 43.5 ND†

Tabla 3: Resumen de los resultados para las configuraciones de la incubadora y las condiciones de temperatura ambiente probado. * Prueba 4: Temperaturas máximas y mínimas absolutas registran durante los períodos estables, es decir, de 10 minutos después del final de un evento disruptivo (tiempo para alcanzar la temperatura programada, abriendo la puerta). † ND: No hay datos, no de prueba.

Figure 10
Figura 10: cáscaras de incubadora probados. Abierto (fila superior) y cerrado (fila inferior). Grueso (izquierda), de la caja de poliestireno expandido de 3.5 cm, dimensiones exteriores 39 x 56 x 36 cm; duro plástico refrigerador caja (media), espesor de 2,5 cm, dimensiones exteriores 32 x 41 x 47 cm; caja de cartón (derecha) cubierta con una manta de supervivencia estándar de 12 μm de espesor doblado dos veces, dimensiones exteriores 30 x 42 x 37 cm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 11
Figura 11: tiempo para alcanzar la temperatura (37 ° C) de la configuración de incubadora bajo condiciones de temperatura diferentes. Actuaciones de incubadoras con una cáscara hecha de una caja de espuma de poliestireno, una caja del refrigerador de disco duro-a y una caja de cartón cubren con una manta de supervivencia. Habitación temperatura ambiente (a), temperatura fría (b)y la temperatura caliente (c). Las temperaturas registradas en la rejilla de apoyo de las incubadoras. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 12
Figura 12: tiempo para alcanzar la temperatura programada (44,5 ° C) de preparaciones para incubadora bajo condiciones de temperatura diferentes. Actuaciones de incubadoras con una cáscara hecha de una caja de espuma de poliestireno, una caja del refrigerador de disco duro-a y una caja de cartón cubren con una manta de supervivencia. Habitación temperatura ambiente (a), temperatura fría (b)y la temperatura caliente (c). Las temperaturas registradas en la rejilla de apoyo de las incubadoras.  Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 13
Figura 13: las variaciones de temperatura durante el período de 24 horas y el efecto de apertura bajo condiciones de temperatura ambiente diferente de la puerta. Temperatura de 37 ° C. Actuaciones de incubadoras con una cáscara hecha de una caja de espuma de poliestireno, una caja del refrigerador de disco duro-a y una caja de cartón cubrieron con una manta de supervivencia. Habitación temperatura ambiente (a), temperatura fría (b)y la temperatura caliente (c). En círculo áreas muestran las variaciones de temperatura debido a la puerta durante un minuto. Las temperaturas registradas en la rejilla de apoyo de las incubadoras. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 14
Figura 14: variaciones de la temperatura sobre período de 24 horas y el efecto de apertura bajo condiciones de temperatura ambiente diferente de la puerta. Temperatura de 44,5 ° C. Actuaciones de incubadoras con una cáscara hecha de una caja de espuma de poliestireno, una caja del refrigerador de disco duro-a y una caja de cartón cubrieron con una manta de supervivencia. Habitación temperatura ambiente (a), temperatura fría (b)y la temperatura caliente (c). En círculo áreas muestran las variaciones de temperatura debido a la puerta durante un minuto. Las temperaturas registradas en la rejilla de apoyo de las incubadoras. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 15
Figura S1: diagrama eléctrico de cableado de centrales eléctricas de incubadora. Alternativas para la operación de la red y funcionamiento con batería se indican. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Parámetro Valor seleccionado
1 Tipo de salida de control Control Q1 / Q2 de la alarma
2 Tipo de sensor conectado Pt100 (-200 a 140 ° C)
3 Seleccionable de consigna de límite inferior 0
4 Seleccionable de consigna de límite superior 50
5 Tipo de control Calefacción
6 Histéresis o banda muerta para el control de P.I.D desc. 0
7 Ancho de banda proporcional del proceso expresado en unidades (° C si temperatura) 1
8 Tiempo integral. Inercia del proceso expresado en segundos 80.0
9 Tiempo derivativo para P.I.D. 20.0
10 Tiempo de ciclo para la dosificación de tiempo salida 10
11 Permitir/denegar modificación de punto de referencia valores por teclado frontal Permite la modificación de los puntos de referencia
12 Filtro de software. Número de lecturas para calcular la comparación valor PV-SPV 10
13 Tipo de título ° C
14 Tipo de líquido refrigerante Aire

Tabla S1: configuración del controlador de temperatura PID. Visualización de valores; otros parámetros no es necesarios para ejecutar la incubadora quedaron a valores por defecto.

Discussion

Bajo 6.1 de objetivo de desarrollo sostenible, la demanda para el muestreo de calidad de agua está aumentando, especialmente en áreas rurales remotas donde las prácticas de supervisión son menos establecido14. Una barrera importante a la aplicación de la prueba en estos ámbitos de la calidad de agua regular es escaso acceso a laboratorios capaces de soportar métodos microbianos6. Este trabajo presenta un método para una incubadora fiable, construido con materiales que son relativamente baratos y extensamente disponible. Los componentes eléctricos son relativamente fáciles de origen y montar, que requiere un limitado conocimientos. Por otra parte, el diseño de la cáscara de la incubadora es flexible y por lo tanto puede ser construido de materiales localmente disponibles. Esto es especialmente aconsejable para aquellos que viajan a lugares remotos, ya que no es necesario espacio para el equipaje para una cáscara pesada y voluminosa. Dependiendo de la shell utilizado, el volumen de la incubadora también es adaptable y puede ser tamaño para dar cabida a un tamaño de muestra específico. El montaje presentado puede ser utilizado en - y fuera de la red, que lo hace robusto para cortes de energía o la ausencia de suministro eléctrico confiable. Si bien se observaron ciertas limitaciones de diseño, este montaje para arriba generalmente demostró para ser eficaz en una variedad de condiciones de temperatura ambiente (3,5 ° C a 39 ° C).

Hay varios pasos en el protocolo que son críticos para lograr un diseño de la incubadora adecuado a las necesidades de uno. La primera es la selección de los componentes eléctricos de la incubadora. Componentes alternativos pueden ser elegidos basado en el precio o la disponibilidad local. Dependiendo del material seleccionado y sus características técnicas, la incubadora puede haber modificado actuaciones en comparación con los resultados presentados. Otro paso fundamental en el protocolo es la elección del material, que se debe hacer basado en el rango de temperaturas ambiente, fuente de alimentación local y disponibilidad de materiales. En temperatura ambiente baja (< 25 ° C), una cáscara fabricado de espuma de poliestireno o una caja del refrigerador de disco duro-a se recomienda alcanzar una temperatura de 37 ° C y 44,5 ° C. Basado en los datos experimentales presentados, estos set ups puede esperarse a llegar a la temperatura fijada en 45-96 minutos y consume 0.78 - 1.05 kWh / 24h en ambientes frios (3.5 a 7.5 ° C). La caja de cartón con manta de supervivencia no se recomienda para uso a temperaturas ambiente más bajas desde esto nunca alcanzó que una estable temperatura durante el período de observación experimental. A temperatura ambiente moderada (27 ° C) cualquiera de los tipos de shell prueba son aceptable, con similares a ligeramente mayor consumo observado para el conjunto de caja de cartón para arriba. En temperaturas más altas (39 ° C), los diseños de incubadora presentados aquí fueron propensos a sobrecalentamiento if a menos que la temperatura era aún mayor (es decir, 44,5 ° C). Por lo tanto, estas condiciones requieren un dispositivo de enfriamiento o utilizar en un espacio climatizado.

El costo de la construcción de la incubadora en presentado aquí fue alrededor de 300 USD cuando materiales provienen en Suiza. Sin embargo, estos costos pueden ser considerablemente menores en diferentes lugares, especialmente si gastos para los componentes electrónicos de envío se pueden reducir al mínimo. Modificación de los distintos componentes descritos en el protocolo puede reducir más lejos costes. El protocolo que presentamos se limita en que compara tres tipos de materiales de shell en dos temperaturas de sistema, así como verificación del crecimiento microbiano para e. coli sólo. La investigación futura deberá comprobar la adecuación de este diseño de la incubadora bajo una mayor gama de parámetros de temperatura y el uso de especies indicador microbiana adicional (p. ej., enterococos) y patógenos (p. ej., salmonella, Vibrio cholerae). Investigación futura debe centrarse también en el desarrollo eficaces de técnicas de enfriamiento dentro de la incubadora, lo que permitiría su uso en ambientes extremadamente calientes (> 40 ° C).

A nuestro conocimiento, no hay ninguna incubadora de campo conocido que ofrece una capacidad de volumen adaptable y es fácilmente desmontable, transportable y de bajo costo. Esta innovadora alternativa a incubadoras disponibles en el mercado satisface una necesidad de los gobiernos y las organizaciones con la calidad del agua y otros objetivos de pruebas basadas en la cultura donde hay pocas instalaciones de laboratorio. Cuando se combina con equipo de prueba de la calidad del agua simple, esta incubadora puede ayudar a los profesionales con capacidades limitadas para establecer laboratorios permanentes o de temporada a un costo razonable. Al aumentar el número de laboratorios en zonas remotas, intentos de vigilancia de calidad de agua regular o lograr el seguimiento puntual de las operaciones del sistema será cada vez más factibles.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Esta investigación fue apoyada por la Agencia Suiza de cooperación para el desarrollo y el programa de alcance financiado por Reino Unido ayuda del Reino Unido Departamento para el desarrollo internacional (DFID) para el beneficio de los países en desarrollo (Aries código 201880). Las opiniones expresadas y la información contenida en él no son necesariamente las de o respaldado por estos organismos, que no pueden aceptar ninguna responsabilidad por dichos puntos de vista o información o para cualquier dependencia a ellos. Los autores también agradecen Arnt Diener para sus contribuciones a las primeras iteraciones del prototipo de incubadora de espuma de poliestireno.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Heating foil Thermo 2115337 Self-adhesive 10x20 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 32x74 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
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

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References

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Construcción de una incubadora móvil de bajo costo para campo y laboratorio
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Schertenleib, A., Sigrist, J., Friedrich, M. N. D., Ebi, C., Hammes, F., Marks, S. J. Construction of a Low-cost Mobile Incubator for Field and Laboratory Use. J. Vis. Exp. (145), e58443, doi:10.3791/58443 (2019).

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