Este documento descreve um método para a construção de uma incubadora adaptável, baixo custo e transportável para testes microbianos de água potável. Nosso projeto é baseado em materiais amplamente disponíveis e pode operar sob uma variedade de condições de campo, enquanto continua a oferecer as vantagens dos modelos high-end de base laboratorial.
Incubadoras são essenciais para uma gama de métodos microbianas baseados em cultura, tais como a filtração em membrana seguida de cultivo para avaliar a qualidade da água potável. No entanto, incubadoras disponíveis comercialmente são muitas vezes dispendiosos, difíceis de transportar, não flexível em termos de volume, e/ou mal adaptadas às condições locais de campo onde o acesso à eletricidade é confiável. O objetivo deste estudo foi desenvolver uma incubadora adaptável, baixo custo e transportável que pode ser construída usando componentes prontamente disponíveis. O núcleo eletrônico da incubadora foi desenvolvido pela primeira vez. Então, esses componentes foram testados sob uma variedade de condições de temperatura ambiente (3,5 ° C a 39 ° C), usando três tipos de conchas de incubadora (caixa de espuma de poliestireno, caixa do refrigerador da difícil e caixa de papelão coberta com um cobertor de sobrevivência). O núcleo eletrônico mostrou desempenho comparável a uma incubadora de laboratório padrão em termos de tempo necessário para atingir a temperatura definida, estabilidade de temperatura interna e dispersão espacial, consumo de energia e crescimento microbiano. As instalações da incubadora também eram eficazes em ambientes com temperatura moderadas e baixas (entre 3,5 ° C e 27 ° C), e em altas temperaturas (39 ° C) quando a incubadora conjunto temperatura foi maior. Este protótipo de incubadora é de baixo custo (< 300 USD) e adaptável a uma variedade de materiais e volumes. Sua estrutura desmontável torna fácil de transportar. Ele pode ser usado em ambos os laboratórios estabelecidos com a rede de energia ou em configurações remotas, alimentadas por energia solar ou uma bateria de carro. É particularmente útil como uma opção de equipamentos para laboratórios de campo em áreas com acesso limitado aos recursos para monitoramento de qualidade de água.
Métodos baseados em cultura para a detecção de contaminantes microbianos são a estado-de-arte para análise de qualidade de água em ambos os industrializados e os países em desenvolvimento1,2. Microorganismos existem em muitos ambientes e requerem condições de temperatura diferentes para o crescimento ideal. Portanto, criar um ambiente de temperatura estável incubação é uma pré-condição para a detecção confiável de contaminantes microbianos de preocupação na água potável. De acordo com a Organização Mundial de saúde, Escherichia coli (e. coli) (ou, alternativamente, coliformes termotolerantes (TTC)) são os mais adequados indicadores de contaminação fecal em água potável3. Deteção desses organismos consiste em, por exemplo, filtragem de uma amostra de 100 mL de água através de uma membrana seguida de incubação da membrana em meios selectivos a 35-37 ° C (Escherichia coli) ou 44-45 ° C (TTC)3.
Aplicativos baseados no campo dos métodos baseados em cultura tornaram-se cada vez mais relevantes nos últimos anos. Sob o objetivo de desenvolvimento sustentável 6, alvo 6.1, os governos comprometeram-se a regularmente qualidade de relatório bacteriológico de água potável no nível nacional4. Além de tais esforços de vigilância de saúde pública, operacionais, monitoramento de infra-estrutura de água é regularmente empreendido a nível local ou regional5. Estes vigilância e monitoramento de campanhas são muitas vezes em locais remotos, onde a infra-estrutura de laboratório necessária é inadequada ou não disponível. 6 da mesma forma, os métodos baseados em cultura são amplamente utilizados no diagnóstico médico e investigação microbiológica onde clínicas locais e instituições de pesquisa podem ser impugnadas por recursos limitados e fontes de alimentação insegura7.
Nos contextos acima, incubadoras convencionais são muitas vezes insuficientes ou indisponível. Como alternativa, incubadoras de campo foram especificamente desenvolvidas para uso fora do laboratório, por exemplo, o Aquatest projeto8, Universidade de Bristol, Reino Unido; DelAgua9, Marlborough, Reino Unido; ou Aquagenx10, Universidade da Carolina do Norte, Estados Unidos. No entanto, esses dispositivos são relativamente pequenos no volume, limitando assim o número de amostras que podem ser processados simultaneamente. Incubadoras de campo no mercado também não são projetadas para operar sob muito baixa ( 40 ° C) as condições de temperatura ambiente, dificultando a sua utilização no deserto ou ambientes alpinos. Outras soluções alternativas incluem iogurte fabricação aparelhos11, cintos de corpo e de incubadoras de mudança de fase12. No entanto, tais incubadoras não convencionais podem funcionar de modo não confiável ou ser onerosa para operar11.
Assim, há uma necessidade para uma incubadora que oferece as vantagens de modelos baseados em laboratório (facilidade de uso, maior volume e precisão da temperatura) mantendo-se adequado para aplicações de campo (baixo custo, facilmente transportado e conservado, robustez para uma intervalo de temperatura ambiente, eficiência energética e fontes de alimentação resistente a intermitente) (tabela 1). O propósito do presente protocolo é detalhar o processo de fabricação de uma incubadora de baixo custo projetado para otimizar as vantagens dos modelos convencionais e baseada em campo usando material amplamente disponível.
Característica | Baseado em laboratório | Campo | Otimizado |
Projeto amigável do usuário | |||
Grande capacidade | |||
Robusta para uma ampla gama de temperaturas ambientes | |||
Mantém a temperatura constante | |||
Baixo custo | |||
Facilmente transportado | |||
Energia eficiente | |||
Resistente à alimentação intermitente |
Tabela 1: Características de incubadoras comercialmente disponíveis (baseado em laboratório e de campo) e a abordagem otimizada.
O protocolo de montagem a seguir especifica os materiais necessários e as etapas para a construção da incubadora. Está estruturada em quatro etapas: primeiro, a montagem da unidade de aquecimento; segunda, montagem de unidade de controle; terceira, montagem do núcleo incubadora elétrica; e quarta, montagem de incubadora. Este protocolo explica a construção do núcleo eletrônico da incubadora, que pode trabalhar com uma variedade de conchas de incubadora. Consulte a Tabela de materiais , para obter uma lista completa de todos os componentes usados no protocolo e suas especificações técnicas. O protocolo abaixo apresenta um exemplo funcional da incubadora de campo, mas a utilização flexível dos diferentes componentes é possível, desde que eles cumpram com os requisitos elétricos. Usar diferentes componentes possa influenciar o desempenho da incubadora. É aconselhável que a construção e instalação de componentes elétricos ser feito por uma pessoa qualificada no campo elétrico.
Sob 6.1 de objetivo de desenvolvimento sustentável, está aumentando a demanda por amostragem de qualidade de água, especialmente em áreas rurais remotas, onde as práticas de monitoramento são menos estabelecida14. A maior barreira para a implementação de qualidade de água regular teste nesses ambientes é fraco acesso aos laboratórios capazes de suportar métodos microbiana6. Este trabalho apresenta um método para uma incubadora confiável construída a partir de materiais que são relativamente barato e amplamente disponível. Os componentes elétricos são relativamente fáceis de fonte e montar, exigindo apenas limitada experiência. Além disso, o projeto do escudo de incubadora é flexível e, portanto, pode ser construído a partir de materiais disponíveis localmente. Isto é especialmente desejável para aqueles que viajam para locais remotos, desde que o espaço de bagagem não é necessário para um escudo pesado e volumoso. Dependendo o shell usado, o volume da incubadora também é adaptável e pode ser dimensionado para acomodar um tamanho de amostra específica. O set-up apresentado pode ser usado na – e fora da rede, que o torna robusto para cortes de energia ou ausência de alimentação elétrica confiável. Enquanto certas limitações de projeto foram observadas, esta configuração acima geralmente provou para ser eficaz sob uma variedade de condições de temperatura ambiente (3,5 ° C a 39 ° C).
Há várias etapas no protocolo que são críticas para a consecução de um projeto de incubadora apropriado para necessidades. A primeira é a seleção dos componentes elétricos da incubadora. Componentes alternativos podem ser escolhidos com base no preço ou a disponibilidade local. Dependendo do material selecionado e suas especificações técnicas, a incubadora pode ter alterado performances em comparação com os resultados apresentados. Outro passo crítico no protocolo é a escolha do material de shell, que deve ser feita com base na faixa esperada de temperaturas ambientes, locais de alimentação e disponibilidade de materiais. A baixas temperaturas ambientes (< 25 ° C), um reservatório construído de espuma de poliestireno ou uma caixa do refrigerador difícil recomenda-se para atingir uma temperatura de 37 ° C, a 44,5 ° C. Com base nos dados experimentais apresentados, estes conjunto ups podem ser esperados para alcançar a temperatura programada em 96-45 minutos e consumir 0,78 – 1.05 kWh/24h em ambientes frios (3,5 a 7,5 ° C). Caixa de papelão com cobertor de sobrevivência não é recomendada para uso em ambientes com temperatura inferiores desde isso montamos nunca atingiu que um estábulo conjunto temperatura durante o período de observação experimental. A temperatura ambiente moderada (27 ° C) qualquer um dos tipos concha testados são aceitáveis, com semelhante ao ligeiramente maior consumo de energia observado para o conjunto de caixa de papelão até. À temperatura ambiente mais elevada (39 ° C), os projetos da incubadora aqui apresentados eram propensos a se superaquecimento a menos que a temperatura era ainda maior (ou seja, 44,5 ° C). Portanto, tais condições que requerem um dispositivo de resfriamento ou usar em um espaço de clima controlado.
O custo da construção da incubadora aqui apresentada foi cerca de 300 USD quando materiais eram provenientes da Suíça. No entanto, estes custos podem ser consideravelmente mais baixos em locais diferentes, especialmente se as taxas para os componentes eletrônicos principais de transporte pode ser mantido a um mínimo. Modificação dos vários componentes descritos no protocolo pode reduzir ainda mais os custos. O protocolo apresentado aqui é limitado, em que ele compara apenas três tipos de materiais de casca em duas temperaturas de conjunto, bem como a verificação do crescimento microbiano para Escherichia coli só. A pesquisa futura deve testar a adequação deste projeto Incubadora sob uma gama maior de parâmetros de temperatura e uso de espécies indicadoras de microbiana adicionais (por exemplo, Enterococcus) e patógenos (por exemplo, as salmonelas, Vibrio cholerae). Futuras pesquisas devem centrar-se também no desenvolvimento de técnicas eficazes de refrigeração dentro da incubadora, que permita a sua utilização em ambientes extremamente quentes (> 40 ° C).
A nosso conhecimento, não há nenhum outra incubadora de campo conhecido que oferece a capacidade de volume adaptável e é facilmente desmontável, permanecendo transportáveis e de baixo custo. Esta alternativa inovadora para incubadoras disponíveis comercialmente atende a uma necessidade de governos e organizações com a qualidade da água e outros objectivos de testes baseados em cultura onde poucas instalações laboratoriais estão disponíveis. Quando combinadas com qualidade de água simples, equipamento de teste, esta incubadora pode ajudar os profissionais com capacidades limitadas para estabelecer laboratórios permanentes ou sazonais, a um custo razoável. Aumentando o número de laboratórios em áreas remotas, esforços para realizar a vigilância de qualidade de água regular ou alcançar acompanhamento pontual de operações do sistema vão se tornar cada vez mais viáveis.
The authors have nothing to disclose.
Esta pesquisa foi apoiada pela Agência Suíça de cooperação para o desenvolvimento e o programa REACH financiados pela ajuda UK do Reino Unido departamento para desenvolvimento internacional (DFID) em benefício dos países em desenvolvimento (Áries código 201880). As opiniões expressados e informações contidas nele não são necessariamente aqueles da ou endossada por estas agências, que não podem aceitar nenhuma responsabilidade para tais opiniões ou informações, ou para qualquer confiança colocada sobre eles. Os autores também agradecer a Arnt Diener por suas contribuições para iterações anteriores do protótipo da incubadora de espuma de poliestireno.
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 |