Summary
Detta dokument beskriver en metod för att bygga en anpassningsbar, låg kostnad och transportabla inkubator för mikrobiell testning av dricksvatten. Vår design bygger på allmänt tillgängliga material och kan användas under en rad fältförhållanden, samtidigt som fördelarna med högre prisklasserna laboratoriebaserade modeller.
Abstract
Inkubatorer är väsentliga för en rad kultur-baserade mikrobiella metoder, såsom membranfiltrering följd av odling för att bedöma kvaliteten på dricksvatten. Kommersiellt tillgängliga inkubatorer är dock ofta kostsamma, svåra att transportera, inte flexibel volymmässigt, och/eller dåligt anpassade till lokala fältförhållanden där tillgång till elektricitet är opålitliga. Syftet med denna studie var att utveckla en anpassningsbar, låg kostnad och transportabla inkubator som kan konstrueras med hjälp av lättillgängliga komponenter. Elektroniska kärnan i inkubatorn utvecklades först. Dessa komponenter testades sedan under ett antal omgivande temperaturförhållanden (3,5 ° C - 39 ° C) med hjälp av tre typer av inkubator beskjuter (polystyren skum låda, hårda svalare box och kartong, täckt med en överlevnad filt). Elektroniska kärnan visade jämförbar prestanda till en standard laboratorium inkubator när det gäller den tid som krävs för att nå den inställda temperaturen, inre temperaturstabilitet och geografisk spridning, strömförbrukning och mikrobiell tillväxt. De inkubator uppställningar var också effektiva vid måttlig och låg rumstemperatur (mellan 3,5 ° C och 27 ° C), och vid höga temperaturer (39 ° C) när inkubatorn inställd temperatur var högre. Denna inkubator prototyp är låg kostnad (< 300 USD) och anpassas till en mängd olika material och volymer. Dess avmonterbara struktur gör det lätt att transportera. Det kan användas i både etablerade laboratorier med rutnät makt eller i inställningarna för fjärr drivs av solenergi eller ett bilbatteri. Det är särskilt användbart som ett utrustning alternativ för fältet laboratorier i områden med begränsad tillgång till resurser för övervakning av vatten.
Introduction
Kultur-baserade metoder för detektion av mikrobiella föroreningar är den state-of-the-art för vatten kvalitetsanalys både industrialiserade och utvecklingsländerna1,2. Mikroorganismer finns i många miljöer och kräver olika temperaturförhållanden för optimal tillväxt. Därför är skapa en temperatur-stabil inkubation miljö en förutsättning för tillförlitlig detektering av mikrobiella föroreningar av oro i dricksvatten. Enligt Världshälsoorganisationen är Escherichia coli (E. coli) (eller alternativt termotoleranta koliforma bakterier (TTC)) de mest lämpliga indikatorerna av fekal förorening i dricksvatten3. Påvisande av dessa organismer består av, till exempel filtrering 100 mL vattenprov genom ett membran som följt av inkubering av membranet på selektiva medier vid 35-37 ° C (E. coli) eller 44-45 ° C (TTC)3.
Fält-baserade tillämpningar av kultur-baserade metoder har blivit allt viktigare under de senaste åren. Under hållbar utveckling mål 6, Target 6.1, har regeringarna åtagit sig att regelbundet rapportera bakteriologiska kvaliteten på dricksvatten på nationell nivå4. Utöver sådan övervakning folkhälsoinsatser utförs operativ övervakning av vatteninfrastruktur regelbundet på lokal eller regional nivå5. Dessa övervakning och övervakning kampanjer är ofta på avlägsna platser där krävs laboratorium infrastrukturen är otillräcklig eller inte tillgänglig. 6 likaså kultur-baserade metoder används allmänt i medicinsk diagnos och mikrobiologisk forskning där lokala kliniker och forskningsinstitutioner kan angripas av begränsade resurser och osäkra nätaggregat7.
I ovanstående sammanhang är konventionella inkubatorer ofta otillräckliga eller inte tillgänglig. Som ett alternativ, har fältet inkubatorer utvecklats speciellt för användning utanför laboratoriet, exempelvis den Aquatest projekt8, University of Bristol, Storbritannien. DelAgua9, Marlborough, Storbritannien; eller Aquagenx10, University of North Carolina, USA. Dessa enheter är dock relativt små volymer, vilket begränsar antalet prover som kan bearbetas samtidigt. Fältet inkubatorer på marknaden är också inte utformade för att arbeta under mycket låg (< 20 ° C) eller mycket höga (> 40 ° C) omgivande temperaturförhållanden, försvårar deras användning i öknen eller alpina miljöer. Ytterligare inkluderar alternativa lösningar yoghurt-making apparater11, kroppen bälten och fas-ändra inkubatorer12. Dock kan sådana okonventionella inkubatorer fungerar opålitligt eller vara betungande att driva11.
Det finns således ett behov av en inkubator som erbjuder fördelarna med laboratorium-baserade modeller (användarvänlighet, större volym, och temperatur precision) samtidigt som den är lämplig för området tillämpningar (låg kostnad, enkelt transporteras och underhållna, tålighet mot en rad omgivningstemperaturer, energieffektiva och motståndskraftig mot intermittent nätaggregat) (tabell 1). Syftet med detta protokoll är att detalj tillverkningsprocessen av en låg kostnad inkubator utformad för att optimera fördelarna med både konventionella och fältbaserade modeller med hjälp av allmänt tillgängliga material.
| Kännetecken | Laboratoriebaserade | Fältet | Optimerad |
| Användarvänlig design |  |
 |
|
| Stor kapacitet | |
|
|
| Robust till rad omgivningstemperaturer | |
|
|
| Håller konstant temperatur | |
|
|
| Låg kostnad | |
|
|
| Lätt transporteras | |
|
|
| Energieffektiva | |
|
|
| Motståndskraftig mot intermittent strömförsörjning | |
|
|
Tabell 1: Kännetecken av kommersiellt tillgängliga inkubatorer (laboratoriebaserade och fält) och det optimerade tillvägagångssättet.
Följande församlingen protokoll anger krävs material och steg för att bygga inkubatorn. Den är strukturerad i fyra steg: första, montering av värme enheten; andra, montering av styrenheten; tredje, montering av inkubator elektriska kärnan; och fjärde, montering av inkubatorn. Detta protokoll förklarar byggandet av elektroniska kärnan i inkubatorn, som kan arbeta med en mängd inkubator skal. Se Tabell för material för en fullständig lista över alla komponenter som används i protokollet och deras tekniska specifikationer. Protokollet nedan presenterar ett fungerande exempel på fältet inkubatorn, men flexibel användning av olika komponenter är möjligt så länge de uppfyller elektriska kraven. Använda olika komponenter kan påverka föreställningar av inkubatorn. Det rekommenderas att konstruktionen och ledningar av elektriska komponenter göras av en person som är skicklig i det elektriska fältet.
Protocol
1. uppvärmning enhet
- Samla in följande komponenter (figur 1):
Stödja plattan (280 x 250 mm) med krävs anchorage hål
Axialfläkt (60 x 60 x 25 mm); 2 x
Spacer (längd 20 mm, inre diameter 4.25 mm (M4)); 4 x
Lyster terminal med tre stift
Skruv mutter (M4); 4 x och (M3); 1 x
Bricka (M4); 8 x och (M3); 1 x
Skruv (M4); 4 x och (M3); 1 x
Figur 1: Enskilda komponenter värme. 
Stöd plattan, 
Axialfläktar, 
distanser, 
lyster terminal, 
skruva nötter, 
brickor och 
skruvar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Borra de nödvändiga hål (figur 2) i stödplattan att säkra Axialfläktar samt lyster terminalen (figur 1).
Figur 2: Schematisk bild av stödplattan. Indikationer för att borra hålen anchorage i stödplattan fixar Axialfläktar samt lyster terminalen. Avstånd anges i millimeter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Förankra Axialfläktar i mitten på stödplattan som visas i figur 3 med två M4 skruvar, muttrar och brickor , , per fläkt. Använda distanserna att lämna ett avstånd mellan fans och stödplattan (figur 3).
- Förankra lyster terminalen att stödplattan med M3 skruv, skruv mutter och bricka. Säkra kabeln fans. (Figur 3).
- Anslut fläkt kablarna med lyster terminalen. Anslut positiva kablarna till varje fläkt grupp och negativa kablarna av varje fläkt grupp (figur 3). Hastighetssensor krävs inte.
Figur 3: Axialfläktar fast på stödplattan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Obs: Kabel färgerna nämns motsvarar de som används i siffrorna. Kabel färgerna kan ändras beroende på det material som används.
2. control Unit (strömförsörjning)
- Samla in följande komponenter:
Universal inhägnad (här 200 x 120 x 60 mm, men mått beror på storleken av DC/DC omvandlare och PID Tempereringsaggregatet)
On/off-brytare
DC/DC omvandlare, ingångsspänningens intervall 9 - 36V, utspänning 12V
PID temperaturregulator, 12-35 V/DC driftspänning
Kabelförskruvning, M12 x 15 mm, fastspänning område 2-7,5 mm (eller enligt den kabel som används)
Temperaturgivare Pt100
AC strömförsörjning
Obs: Inkubatorn kan anslutas till elnätet strömförsörjning eller batteri. När det gäller elnätet operationen, AC-nätsladden krävs och om enheten är uteslutande ansluten till elnätet, DC/DC omvandlaren är inte obligatoriskt. När det gäller batteridrift, DC/DC omvandlaren rekommenderas starkt, och en två-tråds kabel krävs istället för AC-nätsladden. Detta protokoll presenterar versionen med DC/DC omvandlare och AC-nätsladden. Ett elschema av inkubator elektriska kärnan är detaljerad i det kompletterande materialet (figur S1). - Fräsa öppningar för PID temperatur styrenhet, on/off switch och kabelförskruvningar i inneslutningen med en borrmaskin och sticksåg eller ett motsvarande verktyg (figur 4).
Kabelförskruvning, M12 x 15 mm, fastspänning område 2-7,5 mm (eller enligt den kabel som används)
Temperaturgivare Pt100
AC strömförsörjning
Figur 4: Schematisk bild av universal inneslutningen. (a) indikationer att placera Tempereringsaggregatet 
, strömbrytare 
och kabelförskruvningarna 
till universal inneslutningen. avstånd anges i millimeter. (b) 3D-vy av universal inneslutningen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Ansluta en DC/DC-omvandlare till växeln/på: ansluta positiva kabeln till nätadaptern till strömbrytaren och negativa kabeln till nätadaptern till den ”-Vin” av DC/DC omvandlare (figur 5).
- Använda en kabel för att ansluta till strömbrytare till ”+ Vin” av DC/DC omvandlare (figur 5).
Figur 5: monterad styra affärsenhet Universal inhägnad 
med DC/DC omvandlare 
ansluten till PID temperaturkontroll 
och strömbrytare 
. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Anslut kablarna från värme enheten till PID Tempereringsaggregatet enligt följande (figur 6):
- Anslut terminalen ”1” av PID Tempereringsaggregatet till ”DC –” tråd från uppvärmning enhet anslutning och till den ”-Vout” terminal av DC/DC omvandlare.
- Anslut den ”DC +” tråd kommer att värme enheten till terminal ”4” av PID Tempereringsaggregatet samt att terminal ”2” av PID Tempereringsaggregatet (se punkt 3.2).
- Anslut terminalen ”2” av PID Tempereringsaggregatet till ”+ Vout” terminal av DC/DC omvandlare.
- Anslut de terminal ”5” i PID Tempereringsaggregatet till ”kommando” tråd kommer att värme enheten. (se punkt 3.2).
- Anslut temperaturgivaren till terminalerna ”10”, ”11” och ”12”.
Obs: Den röda kabeln av temperatursensorn måste vara ansluten till terminal ”11” av PID Tempereringsaggregatet.
- Förankra den DC/DC omvandlaren med Velcro band längst ned i inneslutningen och stäng universal inneslutningen.
Figur 6: kabelanslutning av DC/DC omvandlare med PID temperaturregulator. DC/DC omvandlare , PID temperaturkontroll , anslutning till inkubator (kabel A) och anslutning till temperaturgivare (kabel B). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Obs: Funktioner av PID temperatur controller terminalerna används ges i tabell 2.
| PID temperaturkontroll terminal | Funktion |
| Terminal ”1” | Leverera indata + |
| Terminal ”2” | Leverans ingång- |
| Terminal ”4” | Kontroll utdata gemensamma kontakt |
| Terminal ”5” | Kontroll produktionen normalt öppen kontakt |
Tabell 2: Funktioner som motsvarar PID temperatur controller terminalerna.
3. montering av inkubator elektriska kärnan
- Samla in följande komponenter:
Uppvärmning enhet från avsnitt 1
Styrenheten från avsnitt 2
Uppvärmning omkullkastar, självhäftande, 100 x 200 mm, 12 v/20 W, 2 x - Länk anslutningskablarna från kontrollenheten till uppvärmning enheten enligt följande (figur 7):
- Anslut den ”DC -” tråden från styrenheten med en ledare av de uppvärmning omkullkastar och negativ tråd av varje fläkt.
- Anslut den ”DC +” kabeln som kommer från styrenheten med positiva kabeln av varje fläkt.
- Anslut ”kommando” tråden från kontrollenheten till de återstående två ledarna av de uppvärmning omkullkastar.
Figur 7: Kabelanslutning för uppvärmning omkullkastar 
med PID temperaturregulator. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Obs: Ifyllda fältet inkubator elektriska kärnan i inkubatorn visas i figur 8.
Figur 8: Fältet färdigt inkubator elektriska kärna. Värmeenheten , kontrollenhet och temperatursond . Klicka här för att se en större version av denna siffra.
4. montering av inkubatorn
- Samla in följande komponenter:
Inkubator elektriska core
Inkubator shell (här en polystyren skum rutan, men kan vara någon typ av box gjord av isolerande material)
Stödja rack (här en metall rack, men kan vara ett annat material) - Placera de inkubator komponenterna tillsammans enligt följande (figur 9):
- Placera inkubator skalet på sin sida, så att öppningen av inkubatorn (dörr) ligger på en sida.
- Placera stödplattan med värme enheten längst ned på inkubatorn skalet.
- Placera stöd racket ovanpå värme enheten, lämna ett utrymme på minst 10 cm mellan värme och stöd rack.
- Placera den temperatur sonden på stöd racket och fäst den i inkubatorn.
- Borra hål i dörren av inkubator för tillträdeet av kablarna (figur 9).
- Anslut inkubatorn till strömkällan.
- Aktivera inkubatorn och justera inställningarna för PID Tempereringsaggregatet (se Tabell S1 i kompletterande material för detaljerade inställningar).
Figur 9: fältet färdigt inkubator. Öppna (vänster) och slutna (höger). Värmeenheten , stödja rack , temperatursond , kontrollenhet 
, inkubator skal 
och hål för kablar i inkubatorn shell (inringade området). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Obs: Skalet av inkubatorn kan vara en låda med någon typ av material. Det är rekommenderat att använda en isolerande material, och att rutan sluter tätt för att undvika spridning av värmen. Stöd rack bör innehålla stora hål för att undvika ansamling av värme i racket, och materialet kan vara metall eller andra (t.ex. plast).
Representative Results
Tillförlitligheten i en robust fältet inkubator ligger i dess förmåga att uppnå och bibehålla en inställd temperatur under olika förhållanden. För att övervaka prestanda för de olika inkubator uppställningar, följande mätningar gjorts: tid som behövs för att nå den inställda temperaturen, effekten av öppna dörren för en minut, strömförbrukning under 24 timmars drift, inre temperaturstabilitet över 24 Öppettider, och observation av E. coli tillväxt. Temperaturen inuti inkubatorn mättes varje minut med 4 temperatur loggning enheter placerade i olika positioner i strukturen (stöd rack, vägg, topp, inuti en tillväxtplattan). Den inställda temperaturen ansågs uppnås när alla mätningar var som helst inom plus eller minus 2 ° C, vilket är det godtagbara intervallet för inkubering av E. coli. 13
Elektroniska kärnan testades med tre typer av snäckor, använda material som vanligtvis finns i många länder: en polystyren skum låda (78 liter), en hård plast svalare box (30 liter) och en kartong täckt med en överlevnad filt (46 liter) ( Figur 10). För att täcka en rad omgivningsförhållanden som kan upplevas i fältet, dessa inkubator uppställningar testades vid tre omgivningstemperaturer: ambient (ca 27 ° C), förkylning (ca 3,5 ° C och 7.5 ° C) och varma (ca 39 ° C). Prestandamått testades ställa in den inre temperaturen vid 37 ° C och 44,5 ° C.
Tiden för att nå den inställda temperaturen i inkubatorerna influerades av den omgivande temperaturen och materialet i inkubatorn skalet. Vid en omgivande temperatur på ca 27 ° C, de tre inkubatorer uppställningar nått de inställda temperaturerna (37 ° C och 44,5 ° C) i en liknande tid (Fig. 11a och figur 12a) och jämförbara med utförandet av en standard inkubator (tabell 3). I kalla miljöer (3,5 ° C och 7.5 ° C) nådde inkubatorerna med tjockare skal, dvs polystyren skum och svalare box, de mål inställda temperaturerna (37 ° C och 44,5 ° C) i en liknande tid; ungefär fyra gånger längre än under en omgivande temperatur på 27 ° C. Med dess lägre isolering nått kartong med överlevnad filt aldrig helt de inställda temperaturerna under kall omgivningstemperatur förhållanden (figur 11b och figur 12b). I en varm miljö (39 ° C) nådde de tre inkubator uppställningar måltemperaturen 44,5 ° c på under 10 minuter (figur 12 c). Dock när den inställda temperaturen var 37 ° c, dvs lägre än den omgivande temperaturen, kunde ingen av inkubatorerna lägre temperatur, vilket resulterar i överhettning för alla tre inkubator inställd ups (figur 11 c).
Omgivningstemperaturen och typ av inkubator shell påverkas effekten av öppnar dörren till inkubatorn för en minut. Värmeförlusten var större i den kalla miljön och tid att återställa de inre inställda temperaturerna längre, med undantag av kartong inkubatorn där uppsättningen temperaturer var aldrig nådde (figur 13b och figur 14b). I varmare miljöer var värmeförlusterna begränsad och uppsättningen temperaturer återfanns på under 10 minuter (figur 13ac och figur 14ac). I en omgivningstemperatur på 39 ° C och inställd temperatur av 37 ° C, öppna dörren inte orsaka eller minska överhettning av inkubatorer (figur 13 c).
Energiförbrukningen ökade med kalla miljöer och med en ökning av den inställda temperaturen. Bättre isolerande inkubator beskjuter (polystyren skum och svalare box) visade en minskad energiförbrukning jämfört med kartong inkubatorn. I liknande miljöer (omgivande temperatur på ca 27 ° C) testade tre inkubator uppställningar konsumeras 0,22 till 0,52 kWh / 24h mindre energi än de vanliga inkubatorerna (tabell 3).
Temperaturen i inkubatorn förblev stabil över 24 timmar med alla typer av inkubator skal och omgivningstemperatur testade (figur 13 och figur 14). Små variationer av den uppmätta temperaturen jämfört med den inställda temperaturen observerades enligt positionen för enhetens temperatur loggning i inkubatorn. Med undantag för proven med den omgivande temperaturen (39 ° C) varmare än den inställda temperaturen (37 ° C) (figur 13 c) var variationerna i temperatur alla inom intervallet 2 ° C godtas för E. coli inkubering.
Alla tester utfördes i närvaro av E. coli och totalt koliforma mätning material (membranfilter placeras på tillväxtplattan). Replikat av ett prov placerades i varje inkubator set-up och i en standard inkubator för jämförelse. I alla uppställningar och villkor var tillväxt av E. coli och totalt koliforma lyckad och jämförbar med den tillväxten som observerats i standard inkubatorn. En sammanfattning av inkubator konfigurationer och omgivande temperaturförhållanden som testats med resultat redovisas i tabell 3.
| Test 1: För att ställa in temperaturen |
Test 2: Sidodörrar öppnar en minut |
Test 3: Strömförbrukning över 24-timmarsperiod |
Test 4: Temperaturvariationer under 24-timmarsperioden |
Test 5: E. coli tillväxt observerade |
|||
| Omgivande temperatur | Inställda temperaturen | (min) | Maximal förlust av temperatur (° C); tid att återhämta sig inställd temperatur (min) | (kWh/24 h) | Absolut högsta temperatur (° C); absolut lägsta temperatur (° C) * | (Ja / nej) | |
| Polystyren skum låda | 3,5 ° C | 37 ° C | 45 | 10 ° C; 17 min | 0,78 | 37. 35,5 | Ja |
| 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 | Ja | |
| 44,5 ° C | 20 | 4,5 ° C; 7 min | 0,43 | 44,5; 43,5 | ND† | ||
| 39 ° C | 37 ° C | 0 (överhettas) | 2 ° C, 0 min (överhettas) | 0,11 | 42,5; 42 | Ja | |
| 44,5 ° C | 7 | 3,5 ° C; 5 min | 0,17 | 45. 43,5 | ND† | ||
| Hårda svalare box | 3,5 ° C | 37 ° C | 54 | 8 ° C; 10 min | 0,86 | 37,5; 36 | Ja |
| 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 | Ja | |
| 44,5 ° C | 25 | 2 ° C, 4 min | 0,50 | 45. 43,5 | ND† | ||
| 39 ° C | 37 ° C | 0 (överhettas) | 1 ° C; 0 min (överhettas) | 0,11 | 43. 42,5 | Ja | |
| 44,5 ° C | 9 | 4 ° C; 3 min | 0,19 | 45,5; 44,5 | ND† | ||
| Kartong med överlevnad filt | 3,5 ° C | 37 ° C | Aldrig nått (stabil temperatur efter 109 min) | 6,5 ° C; stabil temperatur efter 30 min | 1.24 | 33,5; 30,5 | Ja |
| 7.5 ° C | 44,5 ° C | Aldrig nått (stabil temperatur efter 120 min) | 8 ° C; stabil temperatur efter 20 min | 1.28 | 36,5; 32 | ND† | |
| 27 ° C | 37 ° C | 15 | 2,5 ° C; 6 min | 0,42 | 36,5; 35,5 | Ja | |
| 44,5 ° C | 24 | 3 ° C; 8 min | 0,70 | 44,5; 42,5 | ND† | ||
| 39 ° C | 37 ° C | 0 (överhettas) | 1,5 ° C; 0 min (överhettas) | 0,11 | 41,5; 40 | Ja | |
| 44,5 ° C | 9 | 2 ° C, 0 min | 0,20 | 45. 43,5 | ND† | ||
| Standard inkubator | 27 ° C | 37 ° C | 18 | 1 ° C; 0 min (överhettas) | 0,64 | 38,5; 36 | ND† |
| 44,5 ° C | 23 (överhettas) | 2,5 ° C; 0 min | 0,95 | 47,5; 43,5 | ND† |
Tabell 3: resultatsammanfattning för inkubatorn konfigurationer och omgivande temperaturförhållanden testade. * Test 4: Absolut maximal och minimal temperaturen registreras under stabila perioder, dvs från 10 minuter efter utgången av en störande händelse (tid att nå inställda temperaturen, öppna dörren). † ND: Inga data, inte provkörning.
Figur 10: inkubator skal testade. Öppna (övre raden) och slutna (nedersta raden). Polystyrenskum rutan (vänster), tjocklek 3,5 cm, yttermått 39 x 56 x 36 cm. hård plast svalare box (mitten), tjocklek av 2,5 cm, yttermått 32 x 41 x 47 cm. kartong (höger) täckt med en standard överlevnad filt med en tjocklek av 12 µm vikas två gånger, yttermått 30 x 42 x 37 cm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 11: att uppnå inställd temperatur (37 ° C) av de inkubator uppställningar under olika omgivande temperaturförhållanden. Föreställningar av inkubatorer med ett skal gjort av en polystyren skum låda, en hård svalare box och en kartong täckt med en överlevnad filt. På rummet omgivningstemperatur (a), kall omgivningstemperatur (b)och varm omgivande temperatur (c). Temperaturen registreras på stöd racket av inkubatorer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 12: att uppnå inställd temperatur (44,5 ° C) av de inkubator uppställningar under olika omgivande temperaturförhållanden. Föreställningar av inkubatorer med ett skal gjort av en polystyren skum låda, en hård svalare box och en kartong täckt med en överlevnad filt. På rummet omgivningstemperatur (a), kall omgivningstemperatur (b)och varm omgivande temperatur (c). Temperaturen registreras på stöd racket av inkubatorer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 13: temperaturvariationer över 24-timmarsperiod och effekten av dörröppningen under olika omgivande temperaturförhållanden. Inställd temperatur av 37 ° C. Föreställningar av inkubatorer med ett skal gjort av en polystyren skum låda, en hård svalare box och en kartong täckt med en överlevnad filt. På rummet omgivningstemperatur (a), kall omgivningstemperatur (b)och varm omgivande temperatur (c). Inringade områden visar de temperaturen variationerna i dörröppningen i en minut. Temperaturen registreras på stöd racket av inkubatorer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 14: temperaturvariationer över 24-timmarsperiod och effekten av dörröppningen under olika omgivande temperaturförhållanden. Inställda temperaturen 44,5 ° c. Föreställningar av inkubatorer med ett skal gjort av en polystyren skum låda, en hård svalare box och en kartong täckt med en överlevnad filt. På rummet omgivningstemperatur (a), kall omgivningstemperatur (b)och varm omgivande temperatur (c). Inringade områden visar de temperaturen variationerna i dörröppningen i en minut. Temperaturen registreras på stöd racket av inkubatorer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur S1: elschema av inkubator elektriska core ledningar. Alternativ för elnätet drift och batteridrift indikeras. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Parametern | Valt värde | |||||
| 1 | Typ av styrning utgång | Styra Q1 / Alarm Q2 | ||||
| 2 | Typ av anslutna sensor | Pt100 (-200 till 140 ° C) | ||||
| 3 | Lägre gräns valbar för setpoint värde | 0 | ||||
| 4 | Övre gräns valbar för setpoint värde | 50 | ||||
| 5 | Typ av kontroll | Värme | ||||
| 6 | ON/OFF hysteres eller döda band för P.I.D. kontroll | 0 | ||||
| 7 | Proportionell bandbredd av processen uttryckt i enheter (° C om temperaturen) | 1 | ||||
| 8 | Integrerad tid. Intertia av processen uttryckt i sekunder | 80,0 | ||||
| 9 | Härledda tid för P.I.D. | 20,0 | ||||
| 10 | Cykeltid för tid-proportioning utgång | 10 | ||||
| 11 | Tillåt/neka ändring av börvärden av frontal tangentbord | Tillåt ändring av alla börvärden | ||||
| 12 | Programvara filter. Antalet avläsningar att beräkna jämförelsen värde PV-SPV | 10 | ||||
| 13 | Typ av examen | ° C | ||||
| 14 | Typ av kylning vätska | Luft | ||||
Tabell S1: PID controller temperaturinställningar. Visning av inställda värden; andra parametrar som inte behövs för att köra inkubatorn lämnades till standardvärden.
Discussion
Under hållbar utveckling mål 6.1 ökar efterfrågan på vatten kvalitet provtagning, särskilt i avlägsna områden på landsbygden där övervakning praxis är mindre etablerade14. Ett stort hinder att genomföra regelbundna vatten kvalitetstester i dessa inställningar är dålig tillgång till laboratorier kan stödja mikrobiella metoder6. Detta dokument presenterar en metod för en tillförlitlig inkubator tillverkade av material som är relativt billigt och allmänt tillgänglig. Elektriska komponenter är relativt lätt att källa och montera, kräver endast begränsad expertis. Dessutom den inkubator skal designen är flexibel och därför kan konstrueras från lokalt tillgängliga material. Detta är speciellt önskvärt för dem som reser till avlägsna platser, eftersom bagageutrymme inte behövs för en tung och skrymmande skal. Beroende på skalet används, volymen av inkubatorn är också anpassningsbar och kan dimensioneras för att rymma en specifik provstorlek. Presenterade upplägget kan vara används på - och off-grid, vilket gör den robust elavbrott eller avsaknad av tillförlitlig elförsörjning. Medan vissa designbegränsningar observerades, visat denna uppsättning upp generellt sig vara effektiva under en rad omgivande temperaturförhållanden (3,5 ° C till 39 ° C).
I området i närheten finns det flera steg i protokollet som är kritiska för att uppnå en inkubator design passar ens behov. Först är valet av de elektriska komponenterna i inkubatorn. Alternativa komponenter kan väljas utifrån prisen eller den lokala tillgängligheten. Beroende på det material som valts och deras tekniska specifikationer, kan inkubatorn ha ändrat föreställningar jämfört med de resultat som presenteras. En annan avgörande steg i protokollet är valet av shell material, som bör göras utifrån det förväntade intervallet omgivningstemperaturer, lokal strömförsörjning och tillgänglighet av material. Vid lägre omgivningstemperaturer (< 25 ° C), ett skal konstruerat av styrencellplast eller en hård svalare box rekommenderas att uppnå en inställd temperatur av 37 ° C till 44,5 ° C. Baserat på experimentella data presenteras, dessa in ups kan förväntas nå den inställda temperaturen på 45-96 minuter och konsumera 0,78 - 1,05 kWh / 24h i kalla miljöer (3.5 till 7.5 ° C). Kartong med överlevnad filt rekommenderas inte för användning vid lägre omgivningstemperaturer eftersom detta ställer in aldrig nått en stabil inställd temperatur under experimentella observationsperioden. Vid måttlig omgivningstemperatur (27 ° C) är shell typer testade tillåtna med liknar något större strömförbrukning som observerats för kartong boxen upp. Vid högre omgivningstemperaturer (39 ° C) var inkubator mönster presenteras här benägna att överhettning om om inte den inställda temperaturen var ännu högre (dvs. 44,5 ° C). Sådana villkor skulle därför kräva en avkylningsenhet eller använda i ett klimat kontrollerade utrymme.
Kostnaden för att bygga den inkubator som presenteras här var ca 300 USD när material hade sitt ursprung i Schweiz. Dessa kostnader kan dock betydligt lägre på olika platser, särskilt om frakt avgifter för elektroniska kärnkomponenterna kan hållas till ett minimum. Ändring av de olika komponenterna som beskrivs i protokollet kan ytterligare minska kostnaderna. Det protokoll som presenteras här är begränsad i att den jämför endast tre shell material typer på två inställda temperaturer, samt kontroll av mikrobiell tillväxt för E. coli endast. Framtida forskning bör testa lämpligheten av denna inkubator design under ett större utbud av temperatur parametrar och använda ytterligare mikrobiell indikator arter (t.ex. Enterococcus) och patogener (t.ex. salmonella, Vibrio cholerae). Framtida forskning bör också fokusera på utvecklingen av effektiv kylning teknik inom inkubatorn, vilket skulle möjliggöra för dess användning i extremt varma miljöer (> 40 ° C).
Såvitt vi vet finns det inga andra känt fält inkubator som erbjuder anpassningsbara volymkapacitet och är lätt kan demonteras, samtidigt som den är transportabel och låg kostnad. Detta innovativa alternativ till kommersiellt tillgängliga inkubatorer uppfyller ett behov för regeringar och organisationer med vattenkvaliteten och andra kultur-baserad testning mål där det finns några laboratorium. När ihopkopplad med enkel vattenkvalitet testutrustning, kan denna inkubator hjälpa utövare med begränsad kapacitet att inrätta permanenta eller säsongsbetonade laboratorier till en rimlig kostnad. Genom att öka antalet laboratorier i avlägsna områden, blir insatser för att genomföra regelbundna vatten kvalitet övervakning eller uppnå punktlig övervakning av systemet verksamhet allt mer genomförbart.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Denna forskning stöddes av schweiziska byrån för utvecklingssamarbete och REACH-programmet finansieras av UK stöd från brittiska Department for International Development (DFID) till förmån för utvecklingsländer (Väduren kod 201880). De åsikter som uttrycks och informationen som den innehåller är inte nödvändigtvis de av eller godkänts av dessa myndigheter, som kan acceptera något ansvar för sådana åsikter eller information eller för någon tillit som ställs på dem. Författarna också tacka Arnt Diener för hans bidrag till tidig iterationer av styrencellplast inkubator prototypen.
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 |
References
- Bain, R., et al. A summary catalogue of microbial drinking water tests for low and medium resource settings. International Journal of Environmental Research and Public Health. 9 (1609-1625), (2012).
- Köster, W., et al. Analytical methods for microbiological water quality testing. Assessing Microbial Safety of Drinking Water. , 237-277 (2003).
- World Health Organization (WHO). Guidelines for Drinking Water Quality. , 4th Edition, WHO Press. Geneva. (2011).
- World Health Organization (WHO). Safely Managed Drinking Water - Thematic Report on Drinking Water. , WHO Press. Geneva. (2017).
- 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).
- Diener, A., et al. Adaptable drinking-water laboratory unit for decentralised testing in remote and alpine regions. 40th WEDC International Conference. , Loughborough, UK. 1-6 (2017).
- Malkin, R. A. Design of health care technologies for the developing world. Annual Review of Biomedical Engineering. 9 (1), 567-587 (2007).
- Rahman, Z., Khush, R., Gundry, S. Aquatest: Expanding Microbial Water Quality Testing for Drinking Water Management. Drinking Water Safety International. 1 (4), 15-17 (2010).
- DelAgua Water Testing Ltd. DelAgua Portable Water Testing Kit: User Manual Version 5.0. , Marlborough, UK. (2015).
- Aquagenx LLC. Portable Incubator Fabrication Instructions. , Chapel Hill, NC. (2015).
- Nair, J., Mathew, K., Ho, G. E. Experiences with implementing the H2S method for testing bacterial quality of drinking water in remote aboriginal communities in Australia. Water for all life: A decentralized infrastructure for a sustainable future. , (2007).
- Kandel, P., Kunwar, R., Lamichhane, P., Karki, S. Extent of fecal contamination of household drinking water in Nepal: Further analysis of Nepal Multiple Indicator Cluster Survey 2014. American Journal of Tropical Medicine and Hygiene. 96 (2), 446-448 (2017).
- Edberg, S. C., Rice, E. W., Karlin, R. J., Allen, M. J. Escherichia coli: the best biological drinking water indicator for public health protection. Journal of Applied Microbiology. 88 (51), 1065-1165 (2000).
- Taylor, D. D. J., Khush, R., Peletz, R., Kumpel, E. Efficacy of microbial sampling recommendations and practices in sub-Saharan Africa. Water Research. 134, 115-125 (2018).
