Construction of a Low-cost Mobile Incubator for Field and Laboratory Use

Ariane Schertenleib; J&#252;rg Sigrist; Max N. D. Friedrich; Christian Ebi; Frederik Hammes; Sara J. Marks

doi:10.3791/58443

JoVE Journal > Environment

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Environment

بناء حاضنة متنقلة منخفضة التكلفة للاستخدامات المختبرية والميدانية

Published: March 19, 2019

doi:

10.3791/58443

Ariane Schertenleib¹, Jürg Sigrist², Max N. D. Friedrich³, Christian Ebi⁴, Frederik Hammes², Sara J. Marks¹

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

وتصف هذه الورقة أسلوباً لبناء حاضنة قابلة للتكيف، ومنخفضة التكلفة وقابلة للنقل للفحص الميكروبي لمياه الشرب. لدينا تصميم يستند إلى مواد متاحة على نطاق واسع، ويعمل في ظل مجموعة من الظروف الميدانية، بينما لا تزال تقدم مزايا النماذج المستندة إلى المختبر أعلى حد.

Abstract

حاضنات ضرورية لمجموعة من الأساليب الميكروبية على أساس الثقافة، مثل غشاء الترشيح تليها زراعة لتقييم نوعية مياه الشرب. بيد حاضنات المتاحة تجارياً غالباً ما تكون مكلفة وصعبة للنقل، وعدم المرونة من حيث الحجم، و/أو سوء تتكيف مع الظروف الميدانية المحلية حيث الوصول إلى الكهرباء لا يمكن الاعتماد عليها. وكان الغرض من هذه الدراسة تطوير حاضنة قابلة للتكيف، ومنخفضة التكلفة وقابلة للنقل التي يمكن بناؤها باستخدام المكونات متاحة بسهولة. ووضعت أول جوهر الحاضنة الإلكترونية. ثم تم اختبار هذه المكونات ضمن مجموعة من ظروف درجة الحرارة المحيطة (3.5 درجة مئوية-39 درجة مئوية) باستخدام ثلاثة أنواع من قذائف الحاضنة (مربع رغوة البوليسترين ومربع برودة الثابت وصندوق من الورق المقوى مغطاة بغطاء من البقاء على قيد الحياة). الأساسية الإلكترونية أظهرت أداء مماثل لحاضنة مختبر قياسية من حيث الوقت اللازم للوصول إلى درجة الحرارة المحددة واستقرار درجة الحرارة الداخلية والتشتت المكاني، واستهلاك الطاقة والنمو الميكروبي. التكوينات الحاضنة كانت أيضا فعالة في درجات الحرارة المحيطة متوسطة ومنخفضة (بين 3.5 درجة مئوية و 27 درجة مئوية)، وفي درجات حرارة عالية (39 درجة مئوية) عند تعيين الحاضنة درجة حرارة أعلى. هذا النموذج الحاضنة منخفضة التكلفة (< 300 دولاراً) وقابلة للتكيف لمجموعة متنوعة من مواد ووحدات التخزين. هيكلها مربع للقطاعات يسهل عملية النقل. ويمكن استخدامه في كل المختبرات المنشأة مع قوة الشبكة أو في الإعدادات عن بعد بواسطة الطاقة الشمسية أو بطارية سيارة. أنها مفيدة بشكل خاص كخيار معدات للمختبرات الميدانية في المناطق ذات الوصول المحدود إلى الموارد لرصد نوعية المياه.

Introduction

الأساليب المستندة إلى الثقافة للكشف عن الملوثات الميكروبية هي الدولة للفنون لتحليل نوعية المياه في كل من البلدان الصناعية والبلدان النامية¹^،². الكائنات المجهرية الموجودة في العديد من البيئات وتتطلب ظروف درجات الحرارة المختلفة للنمو الأمثل. ولذلك، خلق بيئة مستقرة درجة حرارة حضانة شرط مسبق للكشف عن الملوثات الميكروبية للقلق في مياه الشرب الموثوقة. ووفقا “منظمة الصحة العالمية”، الإشريكيّة القولونية (كولاي) (أو بدلاً من ذلك، قولونيات القولونيات (عقاري)) هي المؤشرات الأكثر ملاءمة من البراز من تلوث في مياه الشرب³. على سبيل المثال، الكشف عن هذه الكائنات الحية يتكون من، تصفية 100 مل عينة مياه من خلال غشاء تليها الحضانة للغشاء في وسائل الإعلام الانتقائي في 35-37 درجة مئوية (كولاي) أو 44-45 درجة مئوية (عقاري)³.

التطبيقات المستندة إلى مجال الأساليب المستندة إلى الثقافة أصبحت ذات أهمية متزايدة في السنوات الأخيرة. إطار التنمية المستدامة الهدف 6، الهدف 6-1، التزمت الحكومات بانتظام نوعية التقرير البكتريولوجية لمياه الشرب على المستوى الوطني⁴. وبالإضافة إلى هذه الجهود مراقبة الصحة العامة، الرصد التشغيلي للبنية التحتية للمياه هو بانتظام المضطلع بها على المستوى المحلي أو الإقليمي⁵. حملات الرصد والمراقبة هذه غالباً في المناطق النائية حيث البنية التحتية المختبرية المطلوبة غير كافية أو غير متوفرة. ⁶ وعلى نحو مماثل، الأساليب المستندة إلى الثقافة تستخدم على نطاق واسع في مجال التشخيص الطبي والبحوث الميكروبيولوجية حيث يمكن الطعن في العيادات المحلية، والمؤسسات البحثية بالموارد المحدودة وإمدادات طاقة غير آمنة⁷.

في السياقات أعلاه، الحاضنات التقليدية غالباً ما تكون غير كافية أو غير متوفرة. وكبديل لذلك، حاضنات الأعمال الميدانية تم تطويرها خصيصا للاستخدام خارج المختبر، مثلاً، أكواتيست المشروع⁸، جامعة بريستول، المملكة المتحدة؛ ديلاجوا⁹، مارلبورو، المملكة المتحدة؛ أو أقواجينكس¹⁰، جامعة نورث كارولينا، الولايات المتحدة الأمريكية. ومع ذلك، هذه الأجهزة صغيرة نسبيا في الحجم، مما يحد من عدد العينات التي يمكن معالجتها بشكل متزامن. حاضنات الأعمال الميدانية في السوق أيضا ليست مصممة لتعمل تحت جداً منخفضة ( 40 درجة مئوية)، يصعب استخدامها في الصحراء أو في بيئات جبال الألب. كذلك تشمل حلول بديلة اللبن صنع الأجهزة¹¹وأحزمة الجسم وتغير المرحلة حاضنات¹². بيد أن هذه الحاضنات غير تقليدية قد تعمل unreliably أو تكون عبئا على العمل¹¹.

وبالتالي هناك حاجة إلى حاضنة يوفر مزايا النماذج المستندة إلى مختبر (سهولة الاستخدام وحجم أكبر ودقة درجة الحرارة) بينما تبقى مناسبة للتطبيقات الميدانية (متانة منخفضة التكلفة وسهولة نقلها وصيانتها، إلى نطاق درجات الحرارة المحيطة، وكفاءة الطاقة، وإمدادات طاقة مرنة بصورة متقطعة) (الجدول 1). والغرض من هذا البروتوكول هو بالتفصيل عملية التصنيع حاضنة منخفضة التكلفة تهدف إلى تحسين مزايا النماذج التقليدية والمستندة إلى الحقل باستخدام المواد المتاحة على نطاق واسع.

مميزة	المستندة إلى مختبر	الميدان	الأمثل
تصميم ودية المستخدم
سعة كبيرة
قوية لمجموعة واسعة من درجات الحرارة المحيطة
يحافظ على درجة حرارة ثابتة
تكلفة منخفضة
تنقل بسهولة
كفاءة في استخدام الطاقة
مرونة لإمدادات الكهرباء متقطعة

الجدول 1: خصائص الحاضنات المتاحة تجارياً (المستندة إلى المختبرية والميدانية) والنهج الأمثل.

يحدد البروتوكول الجمعية التالية للمواد المطلوبة والخطوات لبناء الحاضنة. وهي تتمحور في أربع خطوات: أولاً، الجمعية العامة لوحدة التدفئة؛ الجمعية الثانية، وحدة التحكم؛ الجمعية الثالثة، الحاضنة الكهربائية الأساسية؛ والجمعية الرابعة، للحاضنة. ويفسر هذا البروتوكول بناء جوهر الحاضنة، التي يمكن أن تعمل مع مجموعة متنوعة من قذائف الحاضنة الإلكترونية. انظر الجدول للمواد للحصول على قائمة كاملة لجميع المكونات المستخدمة في البروتوكول ومواصفاتها التقنية. يعرض البروتوكول أدناه مثال وظيفية للحاضنة الحقل، ولكن الاستخدام المرن للعناصر المختلفة من الممكن طالما أنها تفي بالمتطلبات الكهربائية. استخدام مكونات مختلفة قد تؤثر على أداء الحاضنة. ينصح بأن يقوم بالبناء والأسلاك الكهربائية المكونات بشخص متمرس في مجال الكهرباء.

Protocol

1-تدفئة الوحدة جمع المكونات التالية (الشكل 1):دعم لوحة (280 × 250 مم) مع ثقوب مرسى المطلوبةمروحة محورية (60 × 60 × 25 مم)؛ 2 xفاصل (طول 20 ملم، وقطرها الداخلي 4.25 ملم (M4))؛ 4 xالمحطة الطرفية اللمعان مع ثلاثة دبابيسالمسمار الجوز (M4)؛ 4 x و (م 3)؛ س 1غسالة (M4)؛ 8 x و (م 3)؛ س 1المسمار (M4)؛ 4 x و (م 3)؛ س 1 الشكل 1: المكونات الفردية لوحدة التدفئة. دعم لوحة، مراوح محورية، الفواصل، الطرفية اللمعان، المسمار الجوز، غسالات و مسامير. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- حفر ثقوب المطلوب (الشكل 2) في لوحة الدعم لتأمين مراوح محورية فضلا عن المحطة الطرفية رونق (الشكل 1). رقم 2: الرسم التخطيطي للوحة الدعم. مؤشرات حفر ثقوب مرسى في لوحة الدعم لإصلاح مراوح محورية، فضلا عن محطة اللمعان. يتم إعطاء مسافات في ملليمتر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- مرساة مراوح محورية في مركز على لوحة الدعم كما هو موضح في الشكل 3 مع اثنين من البراغي M4 والمسمار الجوز، وغسالات ، ، كل مروحة. استخدام الفواصل في على ترك مسافة بين الجماهير ولوحة الدعم (الشكل 3). مذيع محطة رونق إلى لوحة الدعم باستخدام المسمار والجوز المسمار الغسالة M3. تأمين المشجعين الكابل. (الشكل 3). قم بتوصيل كبلات مروحة مع المحطة الطرفية اللمعان. قم بتوصيل الكابلات الإيجابية لكل محبي معا والكابلات سلبية لكل محبي معا (الشكل 3). جهاز استشعار السرعة غير مطلوبة. الشكل 3: مراوح محورية ثابتة في لوحة الدعم. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- ملاحظة: ألوان الكبل المذكورة تتوافق مع تلك التي استخدمت في الأرقام. قد تتغير الألوان الكابل تبعاً للمواد المستخدمة. 2-مراقبة وحدة (الكهرباء) جمع المكونات التالية:الضميمة العالمي (هنا 200 × 120 × 60 مم، ولكن الأبعاد سوف تعتمد على حجم محول DC/DC وتحكم درجة الحرارة PID)على/قبالة–التبديلمحول DC/DC، الجهد الكهربي للإدخال مجموعة 9-36V، إخراج الجهد 12VPID درجة الحرارة، 12-35 الخامس/DC التشغيل الجهدالغدة الكابل، M12 × 15 ملم، لقط تتراوح 2-7.5 ملم (أو وفقا للكابلات المستخدمة)استشعار درجة الحرارة Pt100التيار المترددملاحظة: يمكن توصيل الحاضنة للتيار الكهربائي أو بطارية. في حالة تشغيل التيار الكهربائي، مطلوب من التيار الكهربائي المتردد وإذا الوحدة حصرا متصل بالتيار الكهربائي، محول DC/DC ليس إلزامياً. في حالة تشغيل البطارية، يوصي بشدة بمحول DC/DC، وكبل اثنين من الأسلاك المطلوبة بدلاً من التيار المتردد. ويقدم هذا البروتوكول الإصدار مع محول DC/DC والتيار المتردد. مخطط كهربائية القلب الكهربائية حاضنة يرد في المواد التكميلية (الرقم S1). مطحنة الفتحات لجهاز التحكم بالحرارة PID، تشغيل/إيقاف تشغيل التبديل، والغدد الكبل في العلبة مع حفر وبانوراما، أو أداة مماثلة (الشكل 4). الشكل 4: رسم تخطيطي للعلبة العالمي. (أ) دلائل تشير وضع وحدة التحكم بدرجة الحرارة ، وتشغيل/إيقاف تشغيل التبديل والغدد كبل في الضميمة العالمي؛ يتم إعطاء مسافات في ملليمتر. (ب) عرض ثلاثي الأبعاد من الضميمة العالمي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- توصيل “محول” DC/DC لتشغيل/إيقاف تشغيل التبديل: قم بتوصيل كبل إيجابية لمحول التيار المتردد لتشغيل/إيقاف تشغيل التبديل وكابل السلبية لمحول التيار المتردد “-فين” محول DC/DC (الشكل 5). استخدام كبل الاتصال تشغيل/إيقاف تشغيل التبديل إلى “+ فين” محول DC/DC (الشكل 5). الرقم 5: شنت التحكم unit. الضميمة العالمي مع محول DC/DC متصل بوحدة التحكم بالحرارة PID وتشغيل/إيقاف تشغيل التبديل . الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- قم بتوصيل الكابلات من وحدة تسخين الحرارة PID على النحو التالي (الشكل 6): الاتصال المحطة الطرفية “1” لوحدة تحكم درجة الحرارة PID للأسلاك “العاصمة –” من التدفئة وحدة اتصال وإلى “-فوت” المحطة الطرفية محول DC/DC. الاتصال “DC +” سلك الذهاب إلى وحدة التدفئة إلى المحطة الطرفية “4” PID درجة الحرارة المراقب المالي، وكذلك فيما يتعلق بالمحطة الطرفية “2” لوحدة تحكم درجة الحرارة PID (انظر النقطة 3، 2). الاتصال الطرفي “2” لوحدة تحكم درجة الحرارة PID “+ فوت” المحطة الطرفية محول DC/DC. قم بتوصيل “5” المحطة الطرفية لوحدة التحكم بالحرارة PID السلك “الأمر” الذهاب إلى وحدة التدفئة. (انظر النقطة 3، 2). قم بتوصيل جهاز استشعار درجة الحرارة المحطات الطرفية “10” و “11” و “12”.ملاحظة: يجب توصيل كبل الحمراء من أجهزة الاستشعار درجة الحرارة إلى المحطة الطرفية “11” لوحدة تحكم درجة الحرارة PID. تثبيت محول DC/DC مع أشرطة Velcro في الجزء السفلي من العلبة، وأغلق العلبة العالمي. رقم 6: كبل اتصال محول DC/DC مع وحدة التحكم بالحرارة PID. محول DC/DC ، PID درجة الحرارة ، الاتصال للحاضنة (كابل A) والاتصال بأجهزة استشعار الحرارة (كبل ب). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- ملاحظة: يتم إعطاء وظائف محطات تحكم درجة الحرارة PID المستخدمة في الجدول 2. المحطة الطرفية PID درجة الحرارة الدالة المحطة الطرفية “1” توريد المدخلات + المحطة الطرفية “2” توريد المدخلات- المحطة الطرفية “4” التحكم الإخراج الاتصال المشترك المحطة الطرفية “5” مراقبة الإنتاج عادة فتح جهة الاتصال الجدول 2: الوظائف المناظرة للمحطات الطرفية تحكم درجة الحرارة PID. 3-الجمعية الحاضنة الكهربائية الأساسية جمع المكونات التالية:وحدة تدفئة من القسم 1وحدة التحكم من القسم 2تدفئة رقائق، ذاتية اللصق، 100 × 200 ملم، V/20 12 W، 2 x ربط كابلات الاتصال من وحدة التحكم لوحدة تدفئة كما يلي (الشكل 7): قم بتوصيل السلك “DC-” من وحدة التحكم مع موصل واحد لكل من رقائق تدفئة والسلك السلبي لكل مروحة. قم بتوصيل السلك “دي سي +” القادمة من وحدة التحكم مع كابل بإيجابية لكل مروحة. قم بتوصيل السلك “الأوامر” من وحدة التحكم الموصلات اثنين المتبقية من رقائق تدفئة. الشكل 7: كبل اتصال لتدفئة رقائق مع وحدة التحكم بالحرارة PID. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- ملاحظة: يبين الشكل 8الأساسية الميدانية المنجزة الكهربائية حاضنة للحاضنة. 8 الرقم: الحقل اكتمال الحاضنة الكهربائية الأساسية- وحدة تسخين ، وحدة التحكم ومسبار درجة الحرارة . الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- 4-جمعية الحاضنة جمع المكونات التالية:حاضنة الكهربائية الأساسيةشل الحاضنة (هنا رغوة البوليسترين مربع، ولكن يمكن أن يكون أي نوع من مربع مصنوعة من مادة عازلة)دعم الحامل (هنا معدن الحامل، ولكن يمكن أن تكون مادة أخرى) ضع المكونات حاضنة معا على النحو التالي (الشكل 9): مكان شل حاضنة على جانبها، حتى افتتاح الحاضنة (الباب) يقع على جانب. ضع لوحة الدعم مع وحدة التدفئة في الجزء السفلي من شل حاضنة. ضع الرف الدعم على رأس وحدة التدفئة، ترك مساحة للحد الأدنى من 10 سم بين وحدة تدفئة والدعم حامل. وضع مسبار درجة الحرارة على الرف الدعم وتأمينه في الحاضنة. حفر ثقوب في باب الحاضنة للسماح لدخول الكبلات (الشكل 9). قم بتوصيل الحاضنة لمصدر الطاقة. تشغيل الحاضنة وضبط إعدادات وحدة تحكم درجة الحرارة PID (انظر الجدول S1 في المواد التكميلية لإعدادات مفصلة). الشكل 9: حاضنة الميدان كاملة- (إلى اليسار) بفتح وإغلاق (يمين). وحدة تسخين ، دعم حامل ، مسبار درجة الحرارة ، وحدة التحكم ، شل حاضنة وثقوب للكابلات في شل الحاضنة (منطقة الدائري). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- ملاحظة: يمكن أن تكون قذيفة الحاضنة مربع من أي نوع من المواد. يوصي باستخدام مادة عازلة، وأن المربع إغلاق مشددة لتفادي تشتت الحرارة. رف الدعم ينبغي أن تحتوي على ثقوب كبيرة لتجنب تراكم الحرارة في الرف، ويمكن أن تكون المواد المعدنية أو غيرها (مثل البلاستيك).

Representative Results

موثوقية حاضنة حقل قوي يكمن في قدرته على الوصول إلى والحفاظ على درجة حرارة محددة في مختلف الظروف. لمراقبة أداء الهياكل حاضنة مختلفة، أجريت القياسات التالية: الوقت اللازم للوصول إلى درجة الحرارة المحددة، أثر فتح الباب لمدة دقيقة واحدة، واستهلاك الطاقة أكثر من 24 ساعة عملية، استقرار درجة الحرارة الداخلية أكثر من 24 ساعات التشغيل، ورصد النمو كولاي . وتم قياس درجة الحرارة داخل الحاضنة كل دقيقة مع 4 أجهزة تسجيل درجة الحرارة يوضع في مناصب مختلفة في الهيكل (رف الدعم، والجدار، أعلى، داخل صفيحة نمو). واعتبرت تعيين درجة حرارة يتحقق عندما كانت جميع القياسات داخل زائد أو ناقص 2 درجة مئوية، وهو النطاق المقبول للحضانة من كولاي. 13 تم اختبار الأساسية الإلكترونية مع ثلاثة أنواع من قذائف، باستخدام المواد التي توجد عادة في العديد من البلدان: مربع رغوة البوليسترين (78 لتر) ومربع برودة بلاستيكية الصلبة (30 لتر)، وصندوق من الورق المقوى مغطاة بغطاء البقاء على قيد الحياة (46 لتر) ( الرقم 10). لتغطية طائفة من الظروف المحيطة التي يمكن أن يكونوا من ذوي الخبرة في الميدان، تم اختبار هذه التكوينات حاضنة في ثلاث درجات الحرارة المحيطة: المحيط (حوالي 27 درجة مئوية) والباردة (حوالي 3.5 درجة مئوية و 7.5 درجة مئوية) والساخن (حوالي 39 درجة مئوية). تم اختبار مقاييس الأداء تحديد درجة الحرارة الداخلية في 37 درجة مئوية و 44.5 درجة مئوية. الوقت للوصول إلى درجة الحرارة المحددة في الحاضنات تأثرت بدرجة الحرارة المحيطة والمواد من قذيفة حاضنة. في درجة حرارة المحيطة حوالي 27 درجة مئوية، التكوينات ثلاث حاضنات التوصل إلى تعيين درجات الحرارة (37 درجة مئوية و 44.5 درجة مئوية) في فترة زمنية مماثلة (الشكل 11 ألف و الرقم 12a) وقابلة للمقارنة مع أداء حاضنة القياسية (الجدول 3). في البيئات الباردة (3.5 درجة مئوية و 7.5 درجة مئوية)، حاضنات بقذائف أكثر سمكا، أي رغوة البوليسترين وبرودة مربع، الذي تم التوصل إليه هدف تعيين درجات الحرارة (37 درجة مئوية و 44.5 درجة مئوية) في فترة زمنية مماثلة؛ حوالي أربع مرات أطول من تحت درجة حرارة المحيطة 27 درجة مئوية. العزل السفلي، وصل الصندوق من الورق المقوى مع بقاء بطانية ابدأ تماما تعيين درجات الحرارة تحت ظروف درجة الحرارة المحيطة الباردة (الشكل 11 باء و الشكل 12b). في بيئة دافئة (39 درجة مئوية)، بلغت الهياكل الثلاثة حاضنة درجة حرارة الهدف 44.5 درجة مئوية في أقل من 10 دقائق (الرقم 12 ج). ومع ذلك، عندما تم تعيين درجة الحرارة 37 درجة مئوية، أي أقل من درجة الحرارة المحيطة، أيا من الحاضنات يمكن خفض درجة الحرارة، أسفر عن المحموم لكل حاضنة ثلاثة مجموعة يو بي إس (ج الشكل 11). درجة الحرارة المحيطة والنوع من شل حاضنة أثرت أثر فتح باب الحضانة لمدة دقيقة واحدة. فقدان الحرارة أكبر في البيئة الباردة، والوقت لاسترداد تعيين درجات الحرارة الداخلية كانت أطول، وباستثناء حاضنة صندوق من الورق المقوى حيث بلغ مجموعة درجات الحرارة لم تكن ابدأ (الرقم 13b و الرقم 14b). في البيئات الأكثر دفئا، كان فقدان الحرارة المحدودة ومجموعة تم انتشال درجات الحرارة في أقل من 10 دقائق (الرقم 13a، ج و الرقم 14a، ج). في درجة حرارة المحيطة من 39 درجة مئوية، وضبط درجة الحرارة 37 درجة مئوية، فتح الباب لم يسبب لم تقليل الانهاك من الحاضنات (الشكل 13 ج). زيادة استهلاك الطاقة مع البيئات الباردة، ومع زيادة في درجة الحرارة المحددة. أفضل العزل قذائف الحاضنة (رغوة البوليسترين وبرودة مربع) أظهرت أيضا في استهلاك طاقة أقل بالمقارنة مع حاضنة صندوق من الورق المقوى. في بيئات مماثلة (درجة الحرارة المحيطة حوالي 27 درجة مئوية)، اختبار الطاقة 0.22 إلى 0.52 كيلووات ساعة/24 ساعة أقل التكوينات تستهلك حاضنة ثلاثة من حاضنات القياسية (الجدول 3). درجة الحرارة في الحاضنة ظلت مستقرة أكثر من 24 ساعة مع كل نوع من قذائف حاضنة ودرجة الحرارة المحيطة اختبار (رقم 13 و رقم 14). ولوحظت اختلافات طفيفة لقياس درجة الحرارة مقارنة بضبط درجة الحرارة وفقا لموضع الجهاز تسجيل درجة الحرارة في الحاضنة. باستثناء الاختبارات مع درجة الحرارة المحيطة (39 درجة مئوية) أكثر دفئا من ضبط درجة الحرارة (37 درجة مئوية) (الشكل 13 ج)، كانت التغيرات في درجة الحرارة كلها ضمن النطاق المقبول لتفريخ كولاي 2 درجة مئوية. أجريت جميع التجارب حضور كولاي وقياس قولونية مجموع المواد (غشاء التصفية على صفيحة النمو). Replicates عينة ووضعت في كل إنشاء حاضنة وحاضنة قياسية للمقارنة. في جميع الأوضاع والظروف، كان نمو كولاي والمجموع القولونيات ناجحة وقابلة للمقارنة للنمو الملاحظ في حاضنة القياسية. يرد موجز لتكوينات الحاضنة وظروف درجة الحرارة المحيطة مع نتائج اختبار في الجدول 3. اختبار 1:الوقت لضبط درجة الحرارة الاختبار 2:باب جانبي فتح دقيقة واحدة الاختبار 3:استهلاك الطاقة على مدى فترة 24 ساعة الاختبار 4:تباين درجة الحرارة على مدى فترة 24 ساعة اختبار 5:كولاي النمو الملاحظ درجة الحرارة المحيطة تعيين درجة الحرارة (دقيقة) الخسارة القصوى لدرجة الحرارة (درجة مئوية)؛ الوقت لاستعادة ضبط درجة الحرارة (دقيقة) (ح كيلووات ساعة/24) درجة الحرارة القصوى المطلقة (درجة مئوية)؛ درجة الحرارة الحد الأدنى المطلق (درجة مئوية) * (نعم/لا) مربع رغوة البوليسترين 3.5 درجة مئوية 37 درجة مئوية 45 10 درجة مئوية؛ 17 دقيقة 0.78 37؛ 35.5 نعم 7.5 درجة مئوية 44.5 درجة مئوية 74 16.5 درجة مئوية؛ 31 دقيقة 0.89 44.5؛ 42.5 ND† 27 درجة مئوية 37 درجة مئوية 12 2.5 درجة مئوية؛ 3 دقيقة 0.28 37.5؛ 36.5 نعم 44.5 درجة مئوية 20 4.5 درجة مئوية؛ 7 دقيقة 0.43 44.5؛ 43.5 ND† 39 درجة مئوية 37 درجة مئوية 0 (أسخن) 2 درجة مئوية؛ 0 دقيقة (أسخن) 0.11 42.5؛ 42 نعم 44.5 درجة مئوية 7 3.5 درجة مئوية؛ 5 دقيقة 0.17 45؛ 43.5 ND† مربع برودة الثابت 3.5 درجة مئوية 37 درجة مئوية 54 8 درجة مئوية؛ 10 دقيقة 0.86 37.5؛ 36 نعم 7.5 درجة مئوية 44.5 درجة مئوية 96 12 درجة مئوية؛ 30 دقيقة 1.05 45؛ 43 ND† 27 درجة مئوية 37 درجة مئوية 13 1.5 درجة مئوية؛ 0 دقيقة 0.27 37.5؛ 36.5 نعم 44.5 درجة مئوية 25 2 درجة مئوية؛ 4 دقيقة 0.50 45؛ 43.5 ND† 39 درجة مئوية 37 درجة مئوية 0 (أسخن) 1 درجة مئوية؛ 0 دقيقة (أسخن) 0.11 43؛ 42.5 نعم 44.5 درجة مئوية 9 4 درجة مئوية؛ 3 دقيقة 0.19 45.5؛ 44.5 ND† صندوق من الورق المقوى مع بقاء بطانية 3.5 درجة مئوية 37 درجة مئوية لم تصل ابدأ إلى (درجة الحرارة مستقرة بعد 109 دقيقة) 6.5 درجة مئوية؛ درجة حرارة مستقرة بعد 30 دقيقة 1.24 33.5؛ 30.5 نعم 7.5 درجة مئوية 44.5 درجة مئوية لم تصل ابدأ إلى (درجة الحرارة مستقرة بعد 120 دقيقة) 8 درجة مئوية؛ درجة حرارة مستقرة بعد 20 دقيقة 1.28 36.5؛ 32 ND† 27 درجة مئوية 37 درجة مئوية 15 2.5 درجة مئوية؛ 6 دقيقة 0.42 36.5؛ 35.5 نعم 44.5 درجة مئوية 24 3 درجة مئوية؛ 8 دقيقة 0.70 44.5؛ 42.5 ND† 39 درجة مئوية 37 درجة مئوية 0 (أسخن) 1.5 درجة مئوية؛ 0 دقيقة (أسخن) 0.11 41.5؛ 40 نعم 44.5 درجة مئوية 9 2 درجة مئوية؛ 0 دقيقة 0.20 45؛ 43.5 ND† حاضنة القياسية 27 درجة مئوية 37 درجة مئوية 18 1 درجة مئوية؛ 0 دقيقة (أسخن) 0.64 38.5؛ 36 ND† 44.5 درجة مئوية 23 (أسخن) 2.5 درجة مئوية؛ 0 دقيقة 0.95 47.5؛ 43.5 ND† الجدول 3: موجز النتائج لظروف درجة الحرارة المحيطة وحاضنة تكوينات اختبار- * اختبار 4: سجلت درجات الحرارة القصوى والدنيا المطلقة خلال فترات مستقرة، أي من 10 دقائق بعد انتهاء الحدث التخريبية (الوقت للوصول إلى درجة الحرارة المحددة وفتح الباب). † ND: لا توجد بيانات، عدم تشغيل الاختبار. رقم 10: قذائف حاضنة اختبارها. (الصف العلوي) بفتح وإغلاق (الصف السفلي). رغوة البوليسترين مربع (يسار) وسمك 3.5 سم، أبعاد الخارجي 39 × 56 × 36 سم؛ الثابت البلاستيك برودة مربع (وسط)، سمك 2.5 سم، أبعاد الخارجي 32 × 41 × 47 سم؛ صندوق من الورق المقوى (يمين) مغطاة ببطانية بقاء قياسية لسمك 12 ميكرومتر مطوية مرتين، أبعاد الخارجي 30 × 42 × 37 سم. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- رقم 11: الوقت للتوصل إلى ضبط درجة الحرارة (37 درجة مئوية) من التكوينات حاضنة تحت ظروف درجة الحرارة المحيطة مختلفة. أداء الحاضنات مع قذيفة من مربع رغوة البوليسترين ومربع برودة الثابت، وصندوق من الورق المقوى مغطاة ببطانية البقاء على قيد الحياة. في غرفة درجة الحرارة المحيطة (أ)درجة حرارة الغرفة الباردة (ب)ودرجة الحرارة المحيطة الحارة (ج). وسجلت درجات الحرارة على الرف الدعم للحاضنات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 12: الوقت للتوصل إلى ضبط درجة الحرارة (44.5 درجة مئوية) من التكوينات حاضنة تحت ظروف درجة الحرارة المحيطة مختلفة. أداء الحاضنات مع قذيفة من مربع رغوة البوليسترين ومربع برودة الثابت، وصندوق من الورق المقوى مغطاة ببطانية البقاء على قيد الحياة. في غرفة درجة الحرارة المحيطة (أ)درجة حرارة الغرفة الباردة (ب)ودرجة الحرارة المحيطة الحارة (ج). وسجلت درجات الحرارة على الرف الدعم للحاضنات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 13: تغيرات درجات الحرارة على مدى فترة 24 ساعة، وتأثير من باب فتح تحت ظروف درجة الحرارة المحيطة مختلفة. ضبط درجة حرارة 37 درجة مئوية. عروض حاضنات بقذيفة من مربع رغوة البوليسترين ومربع برودة الثابت، وصندوق من الورق المقوى مغطاة ببطانية البقاء على قيد الحياة. في غرفة درجة الحرارة المحيطة (أ)درجة حرارة الغرفة الباردة (ب)ودرجة الحرارة المحيطة الحارة (ج). وتظهر المناطق تحليقا تغيرات درجة الحرارة بسبب الباب فتح لمدة دقيقة واحدة. وسجلت درجات الحرارة على الرف الدعم للحاضنات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- رقم 14: تغيرات درجات الحرارة على مدى فترة 24 ساعة، وتأثير من باب فتح تحت ظروف درجة الحرارة المحيطة مختلفة. ضبط درجة حرارة 44.5 درجة مئوية. عروض حاضنات بقذيفة من مربع رغوة البوليسترين ومربع برودة الثابت، وصندوق من الورق المقوى مغطاة ببطانية البقاء على قيد الحياة. في غرفة درجة الحرارة المحيطة (أ)درجة حرارة الغرفة الباردة (ب)ودرجة الحرارة المحيطة الحارة (ج). وتظهر المناطق تحليقا تغيرات درجة الحرارة بسبب الباب فتح لمدة دقيقة واحدة. وسجلت درجات الحرارة على الرف الدعم للحاضنات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- S1 الشكل: رسم تخطيطي الكهربائية من الأسلاك الكهربائية الأساسية الحاضنة. يتم الإشارة إلى بدائل لتشغيل التيار الكهربائي وتشغيل البطارية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- المعلمة القيمة المحددة 1 نوع الإخراج التحكم التحكم Q1/التنبيه Q2 2 نوع من أجهزة الاستشعار متصل Pt100 (-200 إلى 140 درجة مئوية) 3 الحد الأدنى لاختيارها لقيمة setpoint 0 4 قابل للتحديد للقيمة setpoint الحد الأعلى 50 5 نوع عنصر التحكم تدفئة 6 ON/OFF التباطؤ أو الفرقة ميتة للتحكم P.I.D. 0 7 عرض النطاق الترددي تتناسب مع عملية معبراً عنه بوحدات (درجة مئوية إذا كانت درجة الحرارة) 1 8 الوقت لا يتجزأ. إينتيرتيا عملية معبراً عنها بالثواني 80.0 9 مشتق من الوقت ل P.I.D. 20.0 10 مدة دورة لمزج نسبي وقت الإخراج 10 11 السماح/رفض تعديل قيم setpoint بلوحة المفاتيح أمامي السماح بتعديل جميع سيتبوينتس 12 عامل تصفية البرامج. عدد القراءات لحساب المقارنة قيمة PV الشرائي 10 13 نوع الدرجة العلمية ° C 14 نوع التبريد السائل الهواء S1 الجدول: إعدادات وحدة تحكم درجة الحرارة PID. عرض مجموعة من القيم؛ لم يبق معلمات أخرى ليس من الضروري تشغيل الحاضنة للقيم الافتراضية.

Discussion

تحت 6.1 هدف التنمية المستدامة، يتزايد الطلب على عينات نوعية المياه، لا سيما في المناطق الريفية النائية التي تكون فيها ممارسات الرصد المنشأة أقل¹⁴. عائقا رئيسيا أمام تنفيذ الاختبار في هذه الإعدادات لنوعية المياه العادية من الفقراء من الوصول إلى المختبرات القادرة على دعم أساليب الميكروبية⁶. وتعرض هذه الورقة أسلوباً لحاضنة موثوق بها مبنية من مواد رخيصة نسبيا ومتوفرة على نطاق واسع. المكونات الكهربائية سهلة نسبيا للمصدر وتجميع، والتي تتطلب فقط محدودة الخبرة. وعلاوة على ذلك، تصميم شل حاضنة مرنة وذلك يمكن بناؤها من المواد المتوفرة محلياً. وهذا مرغوب فيه خاصة للسفر إلى المناطق النائية، حيث لا يلزم مساحة الأمتعة لقذيفة مدفعية ثقيلة وضخمة. اعتماداً استخدام shell، حجم الحاضنة هي أيضا قابلة للتكيف، ويمكن أن يكون الحجم لاستيعاب حجم عينة محددة. ويمكن إنشاء عرض المستخدمة في–وخارج الشبكة، مما يجعلها قوية لانقطاع التيار الكهربائي أو عدم موثوقية إمدادات الطاقة الكهربائية. بينما لوحظ وجود قيود تصميم معينة، هذا التشكيل تصل عموما أثبتت فعاليتها ضمن مجموعة من ظروف درجة الحرارة المحيطة (3.5 درجة مئوية، إلى 39 درجة مئوية).

وهناك العديد من الخطوات في البروتوكول التي تعتبر بالغة الأهمية لتحقيق وجود تصميم حاضنة مناسبة لاحتياجات الفرد. الأول هو اختيار المكونات الكهربائية للحاضنة. ويمكن اختيار المكونات البديلة على أساس السعر أو توافر المحلية. اعتماداً على المواد المحددة ومواصفاتها التقنية، قد غيرت الحاضنة الأداء مقارنة بالنتائج المعروضة. خطوة حاسمة أخرى في البروتوكول هو اختيار المواد شل، الذي ينبغي أن يستند إلى النطاق المتوقع لدرجات الحرارة المحيطة، وإمدادات الطاقة المحلية، وتوافر المواد. في انخفاض درجات الحرارة المحيطة (< 25 درجة مئوية)، شيدت قذيفة من رغوة البوليسترين أو يوصي بمربع برودة الثابت لتحقيق درجة حرارة مجموعة من 37 درجة مئوية إلى 44.5 درجة مئوية. استناداً إلى البيانات التجريبية المقدمة، تعيين هذه التقلبات يمكن أن يتوقع التوصل إلى ضبط درجة الحرارة في الدقائق 45-96 وتستهلك 0.78-1.05 كيلووات ساعة/24 ساعة في البيئات الباردة (3.5 إلى 7.5 درجة مئوية). الصندوق من الورق المقوى مع بقاء بطانية لا ينصح للاستخدام في انخفاض درجات الحرارة المحيطة منذ إعداد ذلك ابدأ التوصل إلى تعيين ثابت درجة الحرارة خلال فترة الملاحظة التجريبية. في درجة حرارة الغرفة معتدلة (27 درجة مئوية) أي نوع من أنواع شل اختبار تكون مقبولة، مع استهلاك الطاقة مماثلة لأكبر قليلاً لاحظ لمجموعة مربع الكرتون حتى. في أعلى درجات الحرارة المحيطة (39 درجة مئوية)، كانت حاضنة التصاميم المعروضة هنا عرضه للانهاك إذا ما لم يكن تعيين درجة حرارة أعلى (أي، 44.5 درجة مئوية). ولذلك، هذه الظروف سوف تتطلب جهاز تبريد أو استخدام في مساحة مناخ تسيطر.

وكان تكلفة تشييد الحاضنة المقدمة هنا حوالي 300 دولار أمريكي عندما كانت مصادر المواد في سويسرا. ومع ذلك، قد تكون هذه التكاليف أقل بكثير في مواقع مختلفة، ولا سيما إذا كان يمكن الاحتفاظ بالشحن رسوم للمكونات الإلكترونية الأساسية إلى الحد أدنى. يمكن تقليل تكاليف تعديل المكونات المختلفة المبينة في البروتوكول. يقتصر البروتوكول المعروضة هنا في أن يقارن إلا بثلاثة أنواع من المواد قذيفة في درجات الحرارة تعيين اثنين، فضلا عن التحقق من النمو الميكروبي كولاي فقط. البحث في المستقبل يجب اختبار مدى ملاءمة هذا التصميم حاضنة ضمن مجموعة أكبر من المعلمات درجة الحرارة واستخدام أنواع المؤشر الميكروبية إضافية (مثلاً، البرازية) والمسببة للأمراض (مثل السالمونيلا، الضمة الكوليرية). البحث في المستقبل ينبغي أن يركز أيضا على تطوير تقنيات التبريد الفعالة داخل الحاضنة، مما يسمح باستخدامها في بيئات حارة جداً (> 40 درجة مئوية).

على حد علمنا، هناك لا حاضنة الحقل المعروفة الأخرى يوفر سعة تخزين قابلة للتكيف وهو ديسمونتابل بسهولة، بينما تبقى قابلة للنقل ومنخفضة التكلفة. هذا البديل مبتكرة لحاضنات الأعمال المتاحة تجارياً يفي بحاجة للحكومات والمنظمات بنوعية المياه وأهداف الاختبار على أساس الثقافة الأخرى التي تتوفر فيها مرافق مختبرية قليلة. عندما يقترن مع اختبار معدات نوعية المياه بسيطة، يمكن أن تساعد هذه الحاضنة الممارسين مع القدرات المحدودة إنشاء مختبرات الدائمة أو الموسمية بتكلفة معقولة. عن طريق زيادة عدد المختبرات في المناطق النائية، سوف تصبح الجهود المبذولة لمراقبة نوعية المياه العادية أو تحقيق رصد الموعد المحدد لعمليات النظام عمليا على نحو متزايد.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وأيد هذا البحث الوكالة السويسرية “التعاون الإنمائي” والوصول إلى برنامج تموله “المملكة المتحدة المساعدة” من “إدارة المملكة المتحدة” للتنمية الدولية (DFID) لصالح البلدان النامية (الحمل رمز 201880). الآراء والمعلومات الواردة فيه ليست بالضرورة تلك التي أو أقرتها هذه الوكالات، التي يمكن أن تقبل أي مسؤولية لهذه الآراء أو المعلومات أو لأي الاعتماد عليها. كما يشكر المؤلفون دينير ارنت لإسهاماته في التكرارات المبكرة من النموذج الأولى حاضنة رغوة البوليسترين.

Materials

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

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. , (2011).
World Health Organization (WHO). . Safely Managed Drinking Water – Thematic Report on Drinking Water. , (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. , 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. , (2015).
Aquagenx LLC. . Portable Incubator Fabrication Instructions. , (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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

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).

Automatically Generated