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

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Environment

Bau eines Low-Cost mobilen Inkubator für Feld und Labor

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

Dieses Papier beschreibt eine Methode für den Aufbau ein anpassungsfähig, Low-Cost und transportablen Brutkasten für mikrobielle Tests des Trinkwassers. Unser Design kann basiert auf weithin verfügbaren Materialien und unter einer Reihe von Bedingungen, und bietet dennoch die Vorteile der High-End Labor-basierte Modelle.

Abstract

Gründerzentren sind unerlässlich für eine Reihe von Kultur-basierte mikrobiellen Methoden wie Membranfiltration, gefolgt von Anbau für die Beurteilung der Qualität des Trinkwassers. Allerdings sind handelsübliche Inkubatoren oft teuer, schwer zu transportieren, nicht flexibel in Bezug auf Volumen, und/oder lokalen Feldbedingungen schlecht angepasst wo Zugriff auf das Stromnetz unzuverlässig. Der Zweck dieser Studie war, anpassungsfähig, Low-Cost und transportablen Brutkasten zu entwickeln, die mit leicht verfügbaren Komponenten konstruiert werden können. Der elektronische Kern des Inkubators wurde zuerst entwickelt. Diese Komponenten wurden dann unter verschiedenen Umgebungstemperaturen (3,5 ° C – 39 ° C) mit drei Arten von Inkubator Schalen (Styropor-Box, harte Kühlbox und Karton mit einer Rettungsdecke bedeckt) getestet. Der elektronische Kern zeigten vergleichbaren Leistung zu einem Standardlabor Inkubator im Hinblick auf den Zeitaufwand, die eingestellte Temperatur, innere Temperaturstabilität und räumliche Streuung, Stromverbrauch und mikrobielles Wachstum zu erreichen. Der Inkubator-Set-ups waren auch wirksam bei moderaten und niedrigen Umgebungstemperaturen (zwischen 3,5 ° C und 27 ° C), und bei hohen Temperaturen (39 ° C) bei der Brutkasten Temperatur höher war. Dieser Inkubator-Prototyp ist günstig (< 300 USD) und anpassungsfähig an eine Vielzahl von Materialien und Mengen. Die abnehmbare Struktur macht es leicht zu transportieren. Es kann in beiden etablierten Laboratorien mit Netzstrom oder Ferneinstellung angetrieben durch Sonnenenergie oder eine Autobatterie verwendet werden. Es eignet sich besonders als eine Ausstattungsoption für Feld Labore in den Bereichen mit begrenztem Zugang zu Ressourcen für die Überwachung der Wasserqualität.

Introduction

Kultur-basierte Methoden zur Erkennung von mikrobiellen Verunreinigungen sind Stand für Wasseranalytik Qualität sowohl Industrie- und Entwicklungsländern¹^,². Mikroorganismen sind in vielen Umgebungen vorhanden und erfordern unterschiedliche Temperaturbedingungen für optimales Wachstum. Rahmenbedingungen für temperaturstabile Inkubation ist daher eine Voraussetzung für die zuverlässige Erkennung von mikrobiellen Verunreinigungen in Trinkwasser Sorge. Nach der World Health Organization sind Escherichia coli (E. Coli) (oder alternativ Thermotolerant Coliformen (TTC)) die am besten geeignete Indikatoren für fäkale Verunreinigungen im Trinkwasser³. Erkennung dieser Organismen besteht aus, z. B. Filtern eine 100 mL Wasserprobe durch eine Membran, gefolgt von Bebrütung der Membran auf Selektivmedien bei 35-37 ° C (E. Coli) oder 44-45 ° C (TTC)³.

Feld-basierte Anwendungen Kultur-basierter Methoden geworden in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Unter nachhaltiger Entwicklung Ziel 6, Ziel 6.1, haben Regierungen regelmäßig Bericht bakteriologische Qualität des Trinkwassers auf der nationalen Ebene⁴verpflichtet. Neben solchen öffentlichen Gesundheit Überwachung Bemühungen Betriebsüberwachung der Wasser-Infrastruktur regelmäßig auf lokaler oder regionaler Ebene⁵erfolgt. Diese Überwachung und monitoring-Kampagnen sind oft an abgelegenen Orten, wo die erforderlichen Labortests Infrastruktur unzureichend oder nicht verfügbar ist. ⁶ in ähnlicher Weise sind Kultur-basierte Methoden verbreitet in medizinischer Diagnostik und mikrobiologische Forschung, wo lokale Kliniken und Forschungsinstituten werden, mit begrenzten Ressourcen angefochten können und unsicheren Netzteile⁷.

In den oben genannten Zusammenhängen sind konventionellen Inkubatoren oft unzureichend oder nicht verfügbar. Als Alternative wurden speziell für den Einsatz außerhalb des Labors, z. B. die Aquatest Projekt⁸, Universität von Bristol, Vereinigtes Königreich Feld Inkubatoren entwickelt; DelAgua⁹, Marlborough, Vereinigtes Königreich; oder Aquagenx¹⁰, University of North Carolina, Vereinigte Staaten von Amerika. Diese Geräte sind jedoch relativ klein im Volumen, wodurch die Anzahl der Samples, die gleichzeitig verarbeitet werden können. Feld-Inkubatoren auf dem Markt werden auch nicht ausgelegt, unter sehr niedrig ( 40 ° C), ihre Verwendung in der Wüste oder alpine Umgebung erschwert. Weitere alternative Lösungen Joghurt-Herstellung Geräte¹¹, Körper-Gürtel und Phasenwechsel Inkubatoren¹². Jedoch können solche unkonventionellen Inkubatoren zuverlässig funktionieren oder belastend für¹¹betreiben.

Daher besteht die Notwendigkeit für einen Inkubator, der die Vorteile der Labor-basierte Modelle (Benutzerfreundlichkeit, größeres Volumen, und Temperaturgenauigkeit) bietet während der verbleibenden Bereich einsetzbar (Low-Cost, leicht transportiert und gepflegt, Robustheit, ein Bereich der Umgebungstemperaturen, energieeffizient und widerstandsfähig gegenüber intermittierenden Netzteile) (Tabelle 1). Dieses Protokoll dient zum detail des Fertigungsprozess eine kostengünstige Inkubator entwickelt, um die Vorteile der konventionellen und Feld-basierte Modelle unter Verwendung allgemein verfügbare Material zu optimieren.

Charakteristisch	Labor-basierte	Feld	Optimiert
Benutzerfreundliches design
Große Kapazität
Robust, breite Palette von Umgebungstemperaturen
Konstante Temperatur
Low-cost
Leicht zu transportieren
Energie-effizient
Unterbrochene Stromversorgung widerstandsfähig

Tabelle 1: Eigenschaften der handelsüblichen Inkubatoren (Labor und Feld) und der optimierten Ansatz.

Das folgende Protokoll der Versammlung gibt den benötigten Materialien und Schritte für den Aufbau des Inkubators. Es gliedert sich in vier Schritten: Erstens, Montage des Heizkörpers; zweite, Montage der Steuereinheit; Dritte, Montage von den Inkubator elektrischen Kern; und Viertens: Montage des Inkubators. Dieses Protokoll erklärt den Bau der elektronischen Kern des Inkubators, die mit einer Vielzahl von Schalen der Inkubator arbeiten können. Sehen Sie die Tabelle der Materialien für eine vollständige Liste aller Komponenten, die in das Protokoll und ihre technischen Spezifikationen verwendet. Das Protokoll unten präsentiert ein Funktionsbeispiel des Inkubators Feld, aber flexible Nutzung der unterschiedlichen Komponenten ist möglich, solange sie die elektrischen Anforderungen erfüllen. Mit verschiedenen Komponenten beeinflussen könnten die Leistungen des Inkubators. Es wird empfohlen, den Bau und die Verdrahtung von elektrischen Komponenten durch einen Fachmann im elektrischen Feld erfolgen.

Protocol

1. die Heizeinheit Sammeln Sie die folgenden Komponenten (Abbildung 1):Stützplatte (280 x 250 mm) mit erforderlichen Verankerung LöcherAxialventilator (60 x 60 x 25 mm); 2 xAbstandhalter (Länge 20 mm, Innendurchmesser 4,25 mm (M4)); 4 xGlanz-Terminal mit drei pinsSchraubenmutter (M4); 4 X und (M3); 1 xUnterlegscheibe (M4); 8 X und (M3); 1 xSchrauben (M4); 4 X und (M3); 1 x Abbildung 1: Einzelkomponenten des Heizkörpers. Stützplatte, Axialventilatoren, Abstandshalter, Glanz Terminal Muttern, Unterlegscheiben und Schrauben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Die erforderlichen Bohrungen (Abbildung 2) in die Trägerplatte die Axialventilatoren sichern sowie die Glanz-Terminal (Abbildung 1). Abbildung 2: Schematische Darstellung der Stützplatte. Indikationen der Verankerung Bohrlöcher in die Trägerplatte, die Axialventilatoren sowie die Glanz-Terminal zu beheben. Entfernungen sind in Millimeter angegeben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Verankern Sie die Axialventilatoren in der Mitte auf der Trägerplatte wie in Abbildung 3 dargestellt mit zwei M4 Schrauben, Muttern und Scheiben , , pro Ventilator. Verwenden Sie die Abstandshalter lassen Sie einen Abstand zwischen den Fans und der Trägerplatte (Abbildung 3). Verankern der Glanz-Terminal auf der Trägerplatte mit M3-Schraube, Mutter und Unterlegscheibe. Befestigen Sie die Kabel-Fans. (Abbildung 3). Verbinden Sie das Lüfterkabel mit dem Glanz-Terminal. Verbinden Sie die positive Kabel für jeden Fan zusammen und das negative Kabel jeden Fan zusammen (Abbildung 3). Der Geschwindigkeitssensor ist nicht erforderlich. Abbildung 3: Axialventilatoren auf Trägerplatte fixiert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Hinweis: Die Kabelfarben erwähnt entsprechen denen, die in den Figuren verwendet. Die Kabelfarben können je nach dem verwendeten Material ändern. 2. Steuergerät (Stromversorgung) Sammeln Sie die folgenden Komponenten:Universal Gehäuse (hier 200 x 120 x 60 mm, sondern durch Größe hängt von der Größe der DC/DC-Wandler und der PID-Temperaturregler)Ein/aus-SchalterDC/DC-Wandler, Eingangsspannungsbereich 9 – 36V, Ausgangsspannung 12VPID-Temperaturregler, 12-35 V/DC BetriebsspannungKabelverschraubung M12 x 15 mm, Klemmung reichen 2-7,5 mm (oder je nach verwendeten Kabels)Temperaturfühler Pt100AC-StromversorgungHinweis: Inkubator kann mit dem Stromnetz oder an eine Batterie angeschlossen werden. Im Falle der Netzbetrieb AC-Stromversorgung ist erforderlich und wird das Gerät ausschließlich an Stromnetz angeschlossen ist, der DC/DC-Wandler ist nicht zwingend erforderlich. Bei Akku-Betrieb der DC/DC-Wandler wird dringend empfohlen, und ein zwei-Draht-Kabel anstelle der AC-Stromversorgung erforderlich ist. Dieses Protokoll stellt die Version mit dem DC/DC-Wandler und die AC-Stromversorgung. Ein Schaltplan der elektrischen Kern Inkubator wird in das ergänzende Material (Abbildung S1) erläutert. Fräsen Sie die Öffnungen für die PID-Temperaturregler, ein-/aus-Schalter und Kabelverschraubungen in das Gehäuse mit einer Bohrmaschine und Stichsäge oder Instrument entspricht (Abbildung 4). Abbildung 4: Schematische Darstellung des allgemeinen Gehäuses. (a) Angaben, legen Sie den Temperaturregler , ein-/Ausschalter und Kabelverschraubungen in das universelle Gehäuse; Entfernungen sind in Millimeter angegeben. (b) 3D Ansicht des allgemeinen Gehäuses. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Verbinden Sie den DC/DC-Wandler mit ein-/Ausschalter: Schließen Sie das Pluskabel der Netzadapter an der ein-/Ausschalter und das Minuskabel von der Netzadapter an der “-Vin” des DC/DC-Wandlers (Abbildung 5). Verwenden Sie ein Kabel, um den ein-/Ausschalter auf “+ Vin” des DC/DC-Wandlers (Abbildung 5) zu verbinden. Abbildung 5: montiert Einheit zu kontrollieren Universal Gehäuse mit DC/DC-Wandler verbunden mit PID-Temperaturregler und ein-/Ausschalter . Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Verbinden Sie die Kabel der Heizeinheit mit der PID-Temperaturregler (Abbildung 6) folgt: Schließen Sie die Klemme “1” der PID-Temperaturregler zum “DC –” Draht von der Heizung Anschluss und zu den “-Vout” terminal des DC/DC-Wandlers. Verbinden die “DC +” Draht zu der Heizeinheit auf die Klemme “4” der PID-Temperaturregler sowie über das terminal “2” von der PID-Temperaturregler (siehe Punkt 3.2). Schließen Sie das terminal “2” von der PID-Temperaturregler auf “+ Vout” terminal des DC/DC-Wandlers. Verbinden Sie die Klemme “5” von der PID-Temperaturregler mit den “Befehl” Draht geht am Heizelement. (siehe Punkt 3.2). Temperatur-Sensor an die Klemmen “10”, “11” und “12” anschließen.Hinweis: Das rote Kabel des Temperaturfühlers muss mit terminal “11” von der PID-Temperaturregler verbunden sein. Verankern Sie der DC/DC-Wandler mit Velcro-Klebeband an der Unterseite des Gehäuses zu, und schließen Sie das universelle Gehäuse. Abbildung 6: Kabel-Anschluss der DC/DC-Wandler mit PID Temperaturregler. DC/DC-Wandler , PID Temperaturregler , Verbindung zum Inkubator (Kabel A) und Verbindung mit Temperaturfühler (Kabel B). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Hinweis: Die Funktionen der PID Temperatur Controller Terminals verwendet sind in Tabelle 2angegeben. PID Temperaturregler terminal Funktion Klemme “1” Eingang zu versorgen + Das Terminal “2” Versorgung-Eingang- Klemme “4” Ausgabe gemeinsamer Steuerkontakt Klemme “5” Kontrolle-Ausgang Schließer-Kontakt Tabelle 2: Funktionen entsprechend den PID-Temperatur-Controller-Terminals. 3. Montage der elektrischen Kern Inkubator Sammeln Sie die folgenden Komponenten:Heizeinheit von Abschnitt 1Steuergerät aus Abschnitt 2Folien, selbstklebend, 100 x 200 mm, 12 V/20 W, Heizung 2 X Verbinden Sie die Anschlusskabel von der Steuereinheit, die Heizeinheit (Abbildung 7) folgt: Schließen Sie das “DC -” Kabel von der Steuereinheit mit einem Dirigenten aller die Heizfolien und der negative Draht für jeden Fan. Verbinden Sie das “DC +” Kabel aus der Steuereinheit mit dem positiven Kabel für jeden Fan. Verbinden Sie das “Befehl” Kabel von der Steuereinheit, die verbleibenden zwei Leiter der Heizfolien. Abbildung 7: Kabel-Anschluss der Heizung Folien mit PID Temperaturregler. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Hinweis: Der ausgefüllte Feld Inkubator elektrischen Kern des Inkubators ist in Abbildung 8dargestellt. Abbildung 8: Komplette Feld Inkubator elektrischen Kern. Heizeinheit , Steuergerät und Temperaturfühler . Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. 4. Montage des Inkubators Sammeln Sie die folgenden Komponenten:Inkubator elektrischen KernInkubator-Schale (hier Schaum Polystyrol Box, aber kann jede Art von Feld aus Isolierstoff gemacht werden)Rack zu unterstützen (hier ein Metall rack, kann jedoch ein anderes Material) Platzieren Sie die Inkubator Komponenten zusammen, wie folgt (Abb. 9): Legen Sie die Inkubator-Shell auf die Seite, so dass die Öffnung des Inkubators (Tür) sich auf einer Seite befindet. Legen Sie die Trägerplatte mit der Heizeinheit am unteren Rand der Inkubator-Shell. Platzieren Sie die Unterstützung Zahnstange auf das Heizelement, wobei ein Raum von mindestens 10 cm zwischen der Heizung und der Unterstützung Rack. Legen Sie den Temperaturfühler auf Unterstützung Rack und in den Inkubator zu sichern. Bohren Sie Löcher in die Tür des Inkubators, um den Eintrag von Kabeln (Abbildung 9) zu ermöglichen. Den Inkubator an die Stromquelle anschließen. Schalten Sie den Inkubator und passen Sie die Einstellungen der PID-Temperaturregler (siehe Tabelle S1 in das ergänzende Material für detaillierte Einstellungen). Abbildung 9: komplette Feld Inkubator. Öffnen (links) und geschlossen (rechts). Heizeinheit , Rack unterstützen , Temperaturfühler , Steuergerät , Inkubator Schale und Löcher für die Kabel in den Inkubator-Shell (eingekreisten Bereich). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Bemerkung: Die Schale des Inkubators kann eine Schachtel mit jeder Art von Material. Es wird empfohlen, ein isolierendes Material zu verwenden, und das Feld schließt dicht um die Wärmeabfuhr zu vermeiden. Unterstützung Rack sollte enthalten große Löcher um die Ansammlung von Hitze im Rack zu vermeiden kann, und das Material Metall oder andere (z.B. Kunststoff).

Representative Results

Die Zuverlässigkeit der eine robuste Feld Inkubator liegt in seiner Fähigkeit zu erreichen und aufrechtzuerhalten eine eingestellte Temperatur unter verschiedenen Bedingungen. Um die Leistung der verschiedenen Inkubator-Setups zu überwachen, die folgenden Messungen wurden: Zeit zum Erreichen der eingestellten Temperatur, Effekt des Öffnens der Tür für eine Minute, Leistungsaufnahme über 24 Stunden Betrieb, innere Temperatur-Stabilität über 24 Geschäftszeiten und Beobachtung des Wachstums von E. Coli . Die Temperatur in die Brutmaschine wurde jede Minute mit 4 Temperatur Protokollierung Geräte in verschiedenen Positionen in der Struktur (Unterstützung Rack, Wand, oben, innen eine Wachstumsfuge) gemessen. Die eingestellte Temperatur erreicht werden, wenn alle Messungen innerhalb von Plus oder minus 2 ° C waren galt die ist der zulässige Bereich für die Inkubation von E. Coli. 13 Der elektronische Kern wurde getestet mit drei Arten von Muscheln, mit Materialien, die in der Regel in vielen Ländern zu finden sind: eine Styropor-Box (78 Liter), eine harte Kunststoff Kühlbox (30 Liter) und einen Karton mit einer Rettungsdecke (46 Liter) ( bedeckt Abbildung 10). Um ein Spektrum von Umgebungsbedingungen, die im Bereich erlebt werden kann, wurden diese Inkubator-Set-ups bei drei Umgebungstemperaturen getestet: ambient (ca. 27 ° C), kalt (etwa 3,5 ° C und 7,5 ° C) und heißen (ca. 39 ° C). Performance-Maßnahmen wurden getestet, innere Temperatur bei 37 ° C und 44,5 ° c einstellen Die Zeit zum Erreichen der eingestellten Temperatur in den Inkubatoren wurde von der Umgebungstemperatur und dem Material der Schale Inkubator beeinflusst. Bei einer Umgebungstemperatur von etwa 27 ° C erreicht die drei Inkubatoren-Setups die eingestellten Temperaturen (37 ° C und 44,5 ° C) in einer ähnlichen Zeit (Abbildung 11a und Abbildung 12a) und vergleichbar mit der Leistung der ein standard-Inkubator (Tabelle 3). In kalten Umgebungen (3,5 ° C und 7,5 ° C) erreicht die Inkubatoren mit dicker Schalen, d. h. die Polystyrol-Hartschaum und Kühlbox, die Ziel-Solltemperaturen (37 ° C und 44,5 ° C) in einer ähnlichen Zeit; etwa viermal länger als unter einer Umgebungstemperatur von 27 ° C. Mit seiner unteren Isolierung erreicht der Karton mit Rettungsdecke nie vollständig die eingestellten Temperaturen unter kalten Umgebungstemperaturen (Abbildung 11 b und Abbildung 12 b). In einer warmen Umgebung (39 ° C) erreicht die drei Inkubator-Set-ups die Zieltemperatur von 44,5 ° C in weniger als 10 Minuten (Bild 12 c). Jedoch wenn die eingestellte Temperatur von 37 ° C, d. h. niedriger als die Umgebungstemperatur, war keiner der Inkubatoren konnte senken die Temperatur, was zu Überhitzung für alle drei Inkubator set Ups (Abbildung 11 c). Die Umgebungstemperatur und die Art der Inkubator Shell beeinflusst die Wirkung des Öffnens der Tür des Inkubators für eine Minute. Der Wärmeverlust in der kalten Umgebung größer war, und die Zeit, um die innere Solltemperatur erholen war länger, mit Ausnahme der Karton Inkubator, wo die Gruppe, die Temperaturen nie waren erreicht (Abbildung 13 und Abbildung 14 b). In den wärmeren Umgebungen war der Wärmeverlust begrenzt, und die Gruppe, die Temperaturen in weniger als 10 Minuten (Abbildung 13ac und Bild 14ac) geborgen wurden. In einer Umgebungstemperatur von 39 ° C und eingestellte Temperatur von 37 ° C das Öffnen der Tür nicht dazu führen, dass noch reduzieren, eine Überhitzung der Inkubatoren (Abbildung 13 c). Der Stromverbrauch erhöht mit kalten Umgebungen und mit einer Erhöhung der eingestellten Temperatur. Besser isolierenden Inkubator Schalen (Polystyrol-Hartschaum und Kühlbox) zeigte einen reduzierten Stromverbrauch im Vergleich zu den Karton-Inkubator. In ähnlichen Umgebungen (Umgebungstemperatur von etwa 27 ° C) die drei Inkubator Set-ups verbraucht 0,22 bis 0,52 kWh/24 h weniger Energie als der standard Inkubatoren getestet (Tabelle 3). Die Temperatur im Inkubator konstant über 24 Stunden mit allen Arten von Inkubator Muscheln und Umgebungstemperatur getestet (Abbildung 13 und Abbildung 14). Geringfügige Abweichungen von der gemessenen Temperatur im Vergleich zu der eingestellten Temperatur wurden entsprechend der Position des Temperatur-Protokollierung-Gerät im Inkubator beobachtet. Mit Ausnahme der Tests mit der Umgebungstemperatur (39 ° C) wärmer als die eingestellte Temperatur (37 ° C) (Abbildung 13 c) waren die Temperaturschwankungen alle innerhalb der 2 ° C zulässige Bereich für E. Coli Inkubation. Alle Tests wurden in Anwesenheit von E. Coli und coliforme Summenmessung Materialien (Membranfilter gebrachten Wachstumsfuge) durchgeführt. Wiederholungen einer Probe wurden in jeder Inkubator-Set-up und ein standard-Inkubator für Vergleich gelegt. In allen Einstellungen und Bedingungen war das Wachstum von E. Coli und total Coliform erfolgreich und das Wachstum beobachtet im Inkubator standard vergleichbar. Eine Zusammenfassung der Inkubator Konfigurationen und Umgebungs-Temperatur-Bedingungen getestet mit Ergebnisse sind in Tabelle 3dargestellt. Test 1:Zeit, Temperatur einstellen Test 2:Seitentür öffnen eine minute Test 3:Stromverbrauch über 24-Stunden-Zeitraum Test 4:Temperaturschwankung über 24-Stunden-Zeitraum Test 5:E. Coli Wachstum beobachtet Umgebungstemperatur Eingestellte Temperatur (min) Maximaler Verlust von Temperatur (° C); Zeit zur Wiederherstellung der Solltemperatur (min) (kWh/24 h) Absolute maximale Temperatur (° C); absolute minimale Temperatur (° C) * (Ja / Nein) Styropor-box 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 (Überhitzung) 2 ° C; 0 min (Überhitzung) 0,11 42,5; 42 Ja 44,5 ° C 7 3,5 ° C; 5 min 0,17 45; 43,5 ND† Harte Kühlbox 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 (Überhitzung) 1 ° C; 0 min (Überhitzung) 0,11 43; 42,5 Ja 44,5 ° C 9 4 ° C; 3 min 0,19 45,5; 44,5 ND† Karton mit Rettungsdecke 3,5 ° C 37 ° C Nie erreichte (stabile Temperatur nach 109 min) 6,5 ° C. stabile Temperatur nach 30 min 1.24 33,5; 30,5 Ja 7,5 ° C 44,5 ° C Nie erreichte (stabile Temperatur nach 120 min) 8 ° C; stabile Temperatur nach 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 (Überhitzung) 1,5 ° C; 0 min (Überhitzung) 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 (Überhitzung) 0.64 38,5; 36 ND† 44,5 ° C 23 (Überhitzung) 2,5 ° C; 0 min 0.95 47,5; 43,5 ND† Tabelle 3: Zusammenfassung der Ergebnisse für den Inkubator Konfigurationen und Umgebungstemperatur getestet. * Test 4: Absolute maximale und minimale Temperaturen aufgezeichnet während der stabile Perioden, d. h. von 10 Minuten nach dem Ende eines störenden Ereignisses (Zeit zum Erreichen der Solltemperatur, die Tür zu öffnen). † ND: Keine Daten, keine Testlauf. Abbildung 10: Inkubator Muscheln getestet. Offen (obere Reihe) und geschlossen (untere Zeile). Styropor Box (links), Dicke von 3,5 cm, äußere Abmessungen 39 x 56 x 36 cm; harte Kunststoff Kühler Box (Mitte), 2,5 cm dicke, äußeren Abmessungen 32 x 41 x 47 cm; Karton (rechts) mit einem standard Rettungsdecke mit einer Dicke von 12 µm bedeckt gefaltet zweimal, äußere Abmessungen 30 x 42 x 37 cm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 11: Zeit, um die eingestellte Temperatur (37 ° C) von den Inkubator-Set-ups unter verschiedenen Umgebungstemperaturen zu erreichen. Aufführungen von Inkubatoren mit einer Schale aus einer Styropor-Box, eine harte Kühlbox und einen Karton mit einer Rettungsdecke bedeckt. Im Raum Umgebungstemperatur (a), kalter Umgebungstemperatur (b)und warme Umgebungstemperatur (c). Temperaturen auf die Unterstützung Rack der Inkubatoren aufgezeichnet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 12: Zeit, um die eingestellte Temperatur (44,5 ° C) von den Inkubator-Set-ups unter verschiedenen Umgebungstemperaturen zu erreichen. Aufführungen von Inkubatoren mit einer Schale aus einer Styropor-Box, eine harte Kühlbox und einen Karton mit einer Rettungsdecke bedeckt. Im Raum Umgebungstemperatur (a), kalter Umgebungstemperatur (b)und warme Umgebungstemperatur (c). Temperaturen auf die Unterstützung Rack der Inkubatoren aufgezeichnet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 13: Temperaturschwankungen über 24-Stunden-Zeitraum und Wirkung der Türöffnung unter verschiedenen Umgebungstemperaturen. Eingestellte Temperatur von 37 ° C. Aufführungen von Inkubatoren mit einer Schale aus einer Styropor-Box, eine harte Kühlbox und einen Karton mit einer Rettungsdecke bedeckt. Im Raum Umgebungstemperatur (a), kalter Umgebungstemperatur (b)und warme Umgebungstemperatur (c). Eingekreisten Bereiche zeigen die Temperaturschwankungen durch die Türöffnung für eine Minute. Temperaturen auf die Unterstützung Rack der Inkubatoren aufgezeichnet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 14: Temperaturschwankungen über 24-Stunden-Zeitraum und Wirkung der Türöffnung unter verschiedenen Umgebungstemperaturen. Eingestellte Temperatur von 44,5 ° C. Aufführungen von Inkubatoren mit einer Schale aus einer Styropor-Box, eine harte Kühlbox und einen Karton mit einer Rettungsdecke bedeckt. Im Raum Umgebungstemperatur (a), kalter Umgebungstemperatur (b)und warme Umgebungstemperatur (c). Eingekreisten Bereiche zeigen die Temperaturschwankungen durch die Türöffnung für eine Minute. Temperaturen auf die Unterstützung Rack der Inkubatoren aufgezeichnet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung S1: Schaltplan der Inkubator elektrischen Kern Verkabelung. Alternativen für Netzbetrieb und Akku-Betrieb sind angegeben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Parameter Ausgewählten Wert 1 Art der Steuerausgang Steuern, Q1 / Q2 Alarm 2 Typ des angeschlossenen Sensors PT100 (-200 bis 140 ° C) 3 Untergrenze für Sollwert wählbar 0 4 Obergrenze für Sollwert wählbar 50 5 Art der Steuerung Heizung 6 ON/OFF Hysterese und Totzone für P.I.D Kontrolle 0 7 Proportionale Bandbreite des Prozesses, ausgedrückt in Einheiten (° C Wenn Temperatur) 1 8 Nachstellzeit. Gheit des Prozesses, ausgedrückt in Sekunden 80,0 9 Vorhaltezeit für P.I.D 20.0 10 Zykluszeit für die Zeit-Proportionierung Ausgabe 10 11 Zulassen/verweigern Sie Änderung der Sollwerte von frontalen Tastatur Änderung der alle Sollwerte zu ermöglichen 12 Software-Filter. Anzahl der Messungen, den Vergleich berechnen Wert PV-SPV 10 13 Art des Abschlusses ° C 14 Art der Kühlflüssigkeit Luft Tabelle S1: PID-Temperatur-Controller-Einstellungen. Anzeige der eingestellten Werte; andere Parameter nicht erforderlich zu den Inkubator verkehren blieben auf Standardwerte zurück.

Discussion

Unter nachhaltiger Entwicklung Ziel 6.1 steigt die Nachfrage für die Wasser-Qualität-Probenahme, vor allem in entlegenen ländlichen Gebieten wo Überwachung Praktiken weniger etablierten¹⁴sind. Ein großes Hindernis für die Durchführung regelmäßiger Wasserqualität in diesen Einstellungen testen ist schlechter Zugang zu Labors der mikrobiellen Methoden⁶unterstützt. Dieses Papier stellt eine Methode für eine zuverlässige Inkubator, hergestellt aus Materialien, die relativ billig und überall verfügbar sind. Die elektrischen Komponenten sind relativ leicht zu beschaffen und zu montieren, erfordert Fachwissen nur begrenzt. Darüber hinaus die Brutkasten-Shell-Design ist flexibel und von lokal verfügbaren Materialien konstruiert werden kann. Dies ist vor allem wünschenswert für Reisende an remote-Standorten, da Platz für unser Gepäck für eine schwere und sperrige Shell nicht benötigt wird. Abhängig von der Shell verwendet das Volumen des Inkubators ist auch anpassungsfähig und kann angepasst werden, um einen bestimmten Stichprobenumfang aufzunehmen. Die vorgestellte Aufbau können gebrauchte auf – und netzunabhängige, es robust, Stromausfälle oder fehlen zuverlässige elektrische Versorgung macht. Während bestimmte Einschränkungen zu beobachten waren, dieses Set-up, in der Regel erwies sich als wirksam unter verschiedenen Umgebungstemperaturen (3,5 ° C bis 39 ° C).

Es gibt mehrere Schritte im Protokoll, die entscheidend zur Erreichung einer Inkubator Design für seine Bedürfnisse geeignet sind. Die erste ist die Auswahl der elektrischen Komponenten des Inkubators. Alternative Komponenten können basierend auf den Preis oder die lokale Verfügbarkeit gewählt werden. Je nach gewählten Materials und deren technische Spezifikationen kann der Inkubator Leistungen im Vergleich zu den vorgestellten Ergebnisse geändert. Ein weiterer wichtiger Schritt in dem Protokoll ist die Wahl des Shell-Material, die gemacht werden sollten anhand des erwarteten Bereichs Umgebungstemperaturen, lokale Stromversorgung und Verfügbarkeit der Materialien. Bei niedrigeren Umgebungstemperaturen (< 25 ° C) eine Schale aus Polystyrol-Hartschaum gebaut und eine harte Kühlbox wird empfohlen, eine eingestellte Temperatur von 37 ° C auf 44,5 ° c zu erreichen Basierend auf den experimentellen Daten vorgestellt, setzen diese USV können erwarten, dass die eingestellte Temperatur in 45-96 Minuten erreichen und verbrauchen 0.78 – 1,05 kWh / 24h in kalten Umgebungen (3,5 bis 7,5 ° C). Der Karton mit Rettungsdecke wird nicht empfohlen für den Einsatz bei niedrigeren Umgebungstemperaturen da dies nie erreichte einzurichten, dass eine stabile Temperatur während der experimentellen Beobachtungsperiode eingestellt. Bei mäßiger Temperatur (27 ° C) sind die Shell-Typen getestet akzeptabel, mit ähnlich leicht höhere Leistungsaufnahme beobachtet für die Karton-Box-Set auf. Bei höheren Umgebungstemperaturen (39 ° C) neigten die hier vorgestellten Inkubator-Designs auf Überhitzung, wenn, wenn die eingestellte Temperatur sogar noch höher (d. h. 44,5 ° C) war. Daher würden solche Bedingungen erfordern eine Kühleinrichtung oder in einem klimatisierten Raum verwenden.

Die Kosten für den Bau des hier vorgestellten Inkubators war etwa 300 USD als Materialien in der Schweiz bezogen wurden. Diese Kosten können jedoch deutlich an verschiedenen Standorten, vor allem, wenn die Versandkosten für die elektronischen Kernkomponenten auf ein Minimum reduziert werden kann. Änderung der verschiedenen Komponenten im Protokoll beschrieben kann weiter senken. Das Protokoll hier vorgestellten ist begrenzt, da es nur drei Shell Materialtypen an zwei Solltemperaturen sowie Überprüfung des mikrobiellen Wachstums für E. Coli nur vergleicht. Zukünftige Forschung sollte die Eignung dieser Inkubator Konstruktion unter eine größere Reichweite des Temperatur-Parameter und mit zusätzlichen mikrobielle Indikatorarten (z. B. Enterococcus) und Krankheitserreger (z. B. Salmonellen, Vibrio testen. Cholerae). Zukünftige Forschung sollte auch auf die Entwicklung der effektiven Kühltechniken innerhalb der Inkubator konzentrieren, die für den Einsatz in sehr warmer Umgebung (> 40 ° C) erlauben würde.

Unseres Wissens gibt es keine anderen bekannten Bereich Inkubator, die anpassungsfähige Kapazität bietet und ist leicht zerlegbar, während noch transportabel und Low-Cost. Diese innovative Alternative zu handelsüblichen Inkubatoren erfüllt ein Bedürfnis für Behörden und Organisationen mit Wasserqualität und anderen Kultur-basierte Tests zielen wo paar Laboreinrichtungen zur Verfügung stehen. In Kombination mit einfachen Wasserqualität Prüfgeräte helfen dieser Inkubator Praktiker mit begrenzten Kapazitäten, dauerhaft oder saisonal Labors zu einem vernünftigen Preis zu etablieren. Durch die Erhöhung der Anzahl der Laboratorien in abgelegenen Gebieten, werden Anstrengungen zur Durchführung von regelmäßigen Wasser Qualitätsüberwachung oder erreichen pünktlich Überwachung der Systembetrieb immer machbar.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Forschung wurde von der Direktion für Entwicklungszusammenarbeit und REACH-Programm geförderten UK Hilfe seitens des britischen Ministeriums für internationale Entwicklung (DFID) zugunsten der Entwicklungsländer (Widder-Code 201880) unterstützt. Die geäußerten Ansichten und die darin enthaltenen Informationen sind nicht unbedingt die der oder gebilligt durch diese Agenturen, die keine Verantwortung für solche Ansichten oder Informationen oder Vertrauen auf sie gesetzt annehmen können. Die Autoren danken auch Arnt Diener für seine Beiträge zur frühen Iterationen der Polystyrol-Hartschaum-Inkubator-Prototyp.

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

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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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