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.
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.
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 ( 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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |