THIẾT KẾ – CHẾ TẠO – KHẢO NGHIỆM MÔ HÌNH HỆ THỐNG NHÂN GIỐNG NHANH BIOREACTOR

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ

BÙI VĂN THÀNH

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ – CHẾ TẠO – KHẢO NGHIỆM
MÔ HÌNH HỆ THỐNG NHÂN GIỐNG
NHANH BIOREACTOR

Tp. Hồ Chí Minh, 07/2006


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ – CHẾ TẠO – KHẢO NGHIỆM
MÔ HÌNH HỆ THỐNG NHÂN GIỐNG
NHANH BIOREACTOR
Chuyên nghành: Cơ khí chế biến bảo quản nông sản thực phẩm

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

TS. NGUYỄN VĂN HÙNG

BÙI VĂN THÀNH

KS. NGÔ THANH HOÀN

Khóa 2002-2006

Tp. Hồ Chí Minh, 07/2006


MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING
NONG LAM UNIVERSITY - HO CHI MINH CITY
FACULTY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY

THESIS:

DESIGNING – MANUFACTING AND
TESTING A MODEL OF BIOREACTOR

Major: Mechaninics For Agricultural Product Processing And
Conservation

Adviser:

Done by:

Dr. NGUYEN VAN HUNG

BUI VAN THANH

Eng. NGO THANH HOAN

Course 2002-2006

Tp. Ho Chi Minh, 07/2006


Lời cảm ơn
Để hoàn thành được khóa luận này, trong thời gian vừa qua, chúng em
đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ và động viên của các thầy cô, gia đình,
bạn bè và những người xung quanh.
Em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến thầy TS. Nguyễn Văn Hùng, KS. Ngô
Thanh Hoàn, bộ môn Cơ Điện Tử, khoa Cơ Khí, Đại học Nông Lâm
TP.HCM.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô trong khoa Cơ Khí cùng
các thầy, cô trong trường . Các thầy đã tận tình hướng dẫn, truyền những
kinh nghiệm quý báu ngay từ những ngày đầu chúng em chập chững bước vào
giảng đường đại học.
Cuối cùng, con xin gửi những tình cảm thiêng liêng nhất đến Ba Má,
Ông bà, anh chị. Gia đình luôn là chỗ dựa tinh thần và vật chất to lớn đối với
chúng con trong suốt những năm tháng qua.

TP.HCM, tháng 7 năm 2006
Sinh viên

Bùi Văn Thành


TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Việc nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật nuôi cấy bằng bioreactor trong nhân
giống cây trồng tại nước ta là rất mới mẽ, trên thực tế chúng em chưa thấy có
đơn vị nào công bố kết quả về lĩnh vực này. Đề tài sẽ là cơ sở cho các ứng dụng
bioreactor trên quy mô lớn hơn trong tạo giống cũng như nuôi cấy tế bào thực
vật chưa các chất có hoạt tính sinh học trong tương lai. Tuy nhiên, trong khuôn
khổ hạn hẹp của luận văn cũng như là giới hạn về thiết bị, trình độ và thời gian.
Đề tài đã được thực hiện với các kết quả như sau:
 Đã thiết kế chế tạo hoàn chỉnh mô hình hệ thống nhân giống nhanh
Bioreactor.
 Mô hình đã được thử nghiệm sơ bộ cho kết quả ổn định phù hợp với các
yêu cầu sinh học đề ra.


SUMMARY

In Vietnam, studies and application of bioreactor technology for plant
micropropagation is brand new. There is no any organization or researcher
declaring the result about this subject. This thesis will be a basic theory for
applications of bioreactor technology in large-scale plant micropropagation and
culture plant for medicine. However, in the limit of equipments, and time. The
essay ứa implemented with following results:
 Completely manufactured bioreactor system.
 Several experiments was done and results was satisfactory with typical
requirement of a bioreactor system.


-1-

1. MỤC LỤC

Trang
2. MỞ ĐẦU................................................................................................... 3
3. MỤC ĐÍCH LUẬN VĂN ........................................................................ 6
4. TRA CỨU TÀI LIỆU SÁCH BÁO PHỤC VỤ TRỰC TIẾP
CHỦ ĐỀ TÀI............................................................................................ 7
4.1 Tìm hiểu các quá trình nuôi cấy mô thực vật .................................... 7
4.1.1 Giới thiệu nuôi cấy mô in vitro ................................................. 7
4.1.2 Giới thiệu nuôi cấy mô bằng bioreactor ................................... 8
4.1.3 Phân loại bioreactor ................................................................... 10
4.1.4 Ảnh hưởng của pH, nhiệt độ, ánh sáng và điều kiện
vật lý trong bioreactor ....................................................................... 12
4.2 Cảm biến nhiệt độ ............................................................................. 13
4.3 Cảm biến pH ...................................................................................... 16
4.4 Cảm biến ánh sáng ............................................................................. 23
4.5 Vi điều khiển ATMEGA 8535........................................................... 27
5. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN ................................................. 30
6. THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ KẾT QUẢ THẢO LUẬN .......................... 31
A. THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ......................................................................... 31
1. Yêu cầu thiết kế .............................................................................. 31
2.Thiết kế hệ thống nuôi cấy bioreactor ............................................. 32
3. Thiết kế và chế tạo thùng nuôi cấy Bioreactor ............................... 33
4. Hệ thống bơm nước qua lại giữa hai bình ...................................... 34
5. Mạch định thời ............................................................................... 35

 Bùi VănThành


-2-

6. Mạch giao tiếp máy tính ................................................................. 40

7. Ghép nối LCD với vi xử lý ............................................................ 41
8. Cảm biến sử dụng trong đề tài........................................................ 42
B. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................... 44
1. Phần cứng hệ thống ........................................................................ 44
2. Chương trình phần mềm của hệ thống ........................................... 46
7. KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ ......................................................................... 47
7.1 KẾT LUẬN .................................................................................. 47
7.2 ĐỀ NGHỊ ...................................................................................... 47
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 49
9. PHỤ LỤC ................................................................................................. 50

 Bùi VănThành


-3-

2. MỞ ĐẦU

Nuôi cấy mô tế bào thực vật hay còn gọi là nuôi cấy in vitro là công cụ
cần thiết trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và ứng dụng của ngành công
nghệ sinh học. Nhờ áp dụng kĩ thuật nuôi cấy mô, con người đã thúc đẩy thực
vật sinh sản nhanh hơn gấp nhiều lần so với tự nhiên. Do đó tạo ra hàng loạt cá
thể mới giữ nguyên tính trạng di truyền của cơ thể mẹ, làm rút ngắn thời gian
đưa giống mới vào sản xuất. Hơn nữa dựa vào kĩ thuật nuôi cấy mô có thể duy
trì và bảo quản nhiều giống cây trồng quí hiếm để phục tráng giống cây trồng.
Phương pháp nuôi cấy mô tế bào thực vật bắt đầu từ một mảnh nhỏ thực
vật vô trùng được đặt trong môi trường dinh dưỡng thích hợp. Chồi mới hay
mô sẹo mà mẫu cấy này sinh ra bằng sự tăng sinh được phân chia và cấy
chuyền để nhân giống.
Kỹ thuật nuôi cấy mô ra đời đã mở ra một cuộc cách mạng trong nhân

giống thực vật. Đầu thế kỷ 21, hàng loạt các công ty về vi nhân giống cây trồng
thương mại với qui mô vừa và lớn lần lượt được ra đời trên khắp thế giới. Tuy
nhiên, số công ty thu được lợi nhuận cao vẫn không nhiều. Nguyên nhân chủ yếu
làm giới hạn sự phát triển của ngành công nghiệp này là do chi phí cao cho
người lao động. Bởi lẽ, trong các phòng thí nghiệm thương mại, các quy trình
như cấy chuyền, tách mẫu bên trong tủ cấy… hầu hết đều phải thực hiện bằng
tay. Chính vì vậy, cần phải có một hệ thống nuôi cấy mới làm sao có thể tự động
hóa giúp giảm thời gian và công lao động, để từ đó có thể giảm được chi phí sản
xuất. Một trong những hệ thống tự động được nhiều công ty vi nhân giống thực
vật trên thế giới ủng hộ, đó là sử dụng hệ thống nuôi cấy bioreactor (Đây là
phương pháp nuôi cấy dựa trên một bình nuôi cấy được thiết kế chuyên biệt
nhằm mục đích nhân lên số lượng lớn tế bào, mô hay cơ quan trong môi trường
lỏng có hệ thống làm thoáng khí) do Takayama đề ra vào năm 1981.

 Bùi VănThành


-4-

Liên hệ với nền công nghệ sinh học Việt Nam chúng ta hiện nay, các
phòng nuôi cấy mô vẫn dựa chủ yếu trên phương pháp truyền thống là nuôi cấy
trên môi trường thạch đựng trong các bình thủy tinh, hiệu quả nhân giống chưa
cao, do tốn nhiều diện tích, thời gian, tiền bạc và công cấy chuyền. Bên cạnh
đó, việc nghiên cứu ứng dụng các hệ thống tự động hóa vẫn còn rất ít, chưa bắt
kịp được sự phát triển chung của thế giới.
Từ nhu cầu và tiềm năng ứng dụng thiết bị cho sản xuất nông nghiệp
hiện đại, dưới sự hướng dẫn của thầy hướng dẫn, em đã tiến hành thực hiện đề
tài “thiết kế - chế tạo – khảo nghiêm mô hình hệ thống nhân giống nhanh
Bioreactor”.
Quy trình nhân giống vô tính thực vật được miêu tả qua chuỗi các hình

ảnh sau:

Hình 2.1: Quy trình nhân giống cây hoa Thu hải đường bằnh Bioreactor

 Bùi VănThành


-5-

- Hệ thống nhân giống thực vật sử dụng Bioreactor quy mô lớn trên thế
giới:

Hình 2.2: Một số mô hình lớn trên thê giới

 Bùi VănThành


-6-

3. MỤC ĐÍCH LUẬN VĂN

Hệ thống bioreactor được thiết kế vớí mục đích phục vụ nghiên cứu cải thiện
và nâng cao hiệu quả cũng như năng suất của quá trình vi nhân giống.
Mục đích cụ thể của đề tài:
 Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống bình nuôi cấy.
 Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển và hiển thị:
1. Sử dụng vi xử lý AVR điều khiển hệ thống. Cụ thể là sử dụng timer
của vi xử lý để định thì cho van đóng mở và máy bơm khí hoạt động.
2. Sử dụng vi xử lý AVR hiển thị kết quả đo của cảm biến nhiệt độ,
PH, ánh sáng lên LCD và giao tiếp máy tính.

 Bùi Văn Thành


-7-

4. TRA CỨU TÀI LIỆU SÁCH BÁO PHỤC VỤ TRỰC TIẾP
CHỦ ĐỀ TÀI

4.1 Tìm hiểu các quá trình nuôi cấy mô thực vật
4.1.1. Giới thiệu nuôi cấy mô in vitro
 Nuôi cấy đỉnh sinh trưởng
Mẫu cấy bao gồm: đỉnh sinh dưỡng, chồi đỉnh, chồi bên, có kích thước
khoảng 0.58 - 1 cm. Đây là phương pháp dễ dàng nhất, mẫu sau khi vô trùng và
được nuôi cấy trong môi trường thích hợp cho loại cây đó thì sau một thời gian nuôi
cấy tạo thành một hay nhiều chồi. Sau đó, nuôi cấy trong môi trường có bổ sung
chất kích thích sinh trưởng thì sẽ tạo thành nhiều chồi, rễ, tạo thành cây hoàn chỉnh.
 Nuôi cấy mô sẹo
Mẫu cấy là những tế bào đỉnh sinh trưởng hay nhu mô được tách ra trong
môi trường giàu auxin thì mô sẹo được hình thành. Mô sẹo là những tế bào vô tổ
chức có màu trắng. Khối mô sẹo này có khả năng tái sinh thành cây hoàn chỉnh
trong môi trường không có chất kích thích sinh trưởng tạo mô sẹo. Nuôi cấy mô sẹo
được thực hiện đối với những cây không có khả năng nuôi cấy từ đỉnh sinh trưởng.
cây tái sinh từ mô sẹo có nhiều chồi hơn so với cây tái sinh từ đỉnh sinh trưởng, tuy
nhiên mức độ biến dị tế bào soma của phương pháp này rất cao.
 Phương pháp nuôi cấy tế bào đơn
Những khối sẹo được nuôi cấy trong môi trường lỏng, đặt trong máy lắc thì
khối sẹo dưới tác dụng cơ học và hóa học sẽ tách ra nhiều tế bào đơn lẻ gọi là tế bào
đơn. Những tế bào đơn này nuôi cấy trong môi trường đặc biệt thì sẽ tăng sinh khối.
Sau một thời gian nuôi cấy trong môi trường lỏng tế bào đơn tách ra và đặt trải

trong môi trường thạch thì sẽ phát sinh thành những tế bào mô sẹo. Những tế bào
mô sẹo này được nuôi cấy trong môi trường cytokinin/auxin thích hợp thì sẽ tái sinh

 Bùi Văn Thành


-8-

thành cây hoàn chỉnh. Trong chọn giống cây trồng người ta dựa vào phương pháp
này để tạo ra giống mới bằng cách đột biến tế bào đơn bằng hóa chất hay phóng xạ.
 Nuôi cấy protoplast - chuyển gen
Protoplast (tế bào trần ), thực chất là tế bào đơn được tách vỏ cellulose, có
sức sống và duy trì chức năng sẵn có. Protoplast có thể tái sinh trực tiếp từ thân, lá,
rễ bằng cơ học, hoặc từ những tế bào đơn sẵn có. Trong môi trường thích hợp các
protoplast có khả năng tái sinh màng tế bào, tiếp tục phân chia và tái sinh thành cây
hoàn chỉnh. Trong chọn giống cây trồng người ta sử dụng phương pháp này để cải
tiến giống cây trồng bằng cách cho dung hợp protoplast ở 2 protoplast cùng loài
hoặc khác loài.
Protoplast có khả năng hấp thu tế bào ngoại lai để cải thiện đặc tính của một
số loại cây trồng mà không thông qua các phương pháp chuyển gen khác.
 Nuôi cấy tế bào đơn bội
Hạt phấn của cây trồng được nuôi cấy trong môi trường thích hợp tạo thành
mô sẹo, những mô sẹo này có khả năng tái sinh thành cây hoàn chỉnh có bộ nhiễm
sắc thể n gọi là cây đơn bội. Trong nuôi cấy mô thực vật người ta sử dụng những
mô sẹo này xử lý colchicin để tạo thành cây đa bội.
4.1.2. Giới thiệu nuôi cấy mô bằng bioreactor
Ngay từ khi ra đời, kỹ thuật nuôi cấy mô đã làm một cuộc cách mạng trong
nhân giống cây trồng và ngày nay nó đang hướng tới vi nhân giống cây trồng
thương mại. Trong những năm gần đây, hơn 600 công ty về vi nhân giống cây trồng
đã được thành lập trên khắp thế giới (internet).

Đa phần thì vi nhân giống trong thương mại đều sử dụng môi trường bán rắn
đựng trong các lọ hay bình. Kỹ thuật này đã trở thành phương pháp nhân giống
chuẩn và phổ biến đối với nhiều loại cây trồng như: cây công nghiệp, cây lâm
nghiệp, cây cảnh, cây dược liệu, cây ăn trái và cây rau (Takayama, 1991).

 Bùi Văn Thành


-9-

Thuận lợi của phương pháp vi nhân giống bằng bioreactor so với phương pháp
nhân giống truyền thống (giâm, chiết, ghép,…) là:
-

Những cây nhân giống in vitro đồng nhất về di truyền;

-

Được nuôi cấy trong điều kiện vô trùng, cây khỏe mạnh, sạch virus thông
qua xử lý nhiệt hay nuôi cấy đỉnh sinh trưởng;

-

Có thể sản xuất quanh năm và chủ động kiểm soát được các yếu tố ngoại
cảnh như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm,…

-

Hệ số nhân cao, sản xuất được số lượng lớn cây giống trong một thời gian
ngắn nhằm đáp ứng nhu cầu cho những người trồng thương mại;

-

Giúp bảo quản nguồn giống in vitro với số lượng lớn nhưng lại chiếm diện
tích rất nhỏ (Takayama, 1991).

Nhân sinh khối thông qua nuôi cấy mô thì tốn kém hơn nhiều so với phương pháp
nhân giống truyền thống như giâm, chiết, gieo hạt,… nên thường khó áp dụng để
thương mại hóa. Chi phí cho nhân công thường chiếm khoảng 60% hoặc cao hơn
trên tổng giá trị của toàn sản phẩm. Do đó, việc áp dụng tự động hóa một vài bước
trong quá trình vi nhân giống bằng robot hay tạo cây con thông qua quá trình phát
sinh phôi soma được xem là những giải pháp giúp giảm giá thành sản phẩm.
Tuy nhiên, bên cạnh những thuận lợi trên, phương pháp vi nhân giống bằng
môi trường bán rắn cũng bộc lộ những khó khăn sau:
-

Nhân giống trên môi trường bán rắn có giá thành sản xuất vẫn còn cao (do sử
dụng agar) và thời gian cấy chuyền dài. Khi sản xuất ở qui mô công nghiệp,
chi phí cho năng lượng và nhân công vẫn còn rất lớn;

-

Để xuất hiện các biến dị soma trong quá trình nuôi cấy, đặc biệt tái sinh qua
mô sẹo (Takayama, 1991).
Vi nhân giống theo cách thông thường trước đây dựa trên các thao tác bằng

tay trong nuôi cấy mất khoảng 4 - 6 tuần trên môi trường bán rắn (agar). Các
phương pháp trên nhìn chung đều tốn nhiều thời gian và công lao động. Đối với

 Bùi Văn Thành

- 10 -

những nước phát triển thì công lao động cao nên chi phí cho nhân công chiếm đến
70 - 80% trong tổng giá trị của sản phẩm. Do đó, nhiều phương pháp tự động hóa đã
được nghiên cứu. Nhân nhanh sinh khối trong vi nhân giống có thể đạt được bằng
nhiều cách khác nhau như:
-

Tạo sự đồng nhất trong nuôi cấy mô tế bào thực vật (homogenisation);

-

Tự động hóa trong nuôi cấy lỏng và bioreactor;

-

Dùng robot.
Để có thể mở rộng hơn nữa việc vi nhân giống thương mại thì nhất thiết phải

áp dụng những kỹ thuật tự động hóa và kỹ thuật nhân nhanh (Vasil, 1991; 1994).
4.1.3. Phân loại bioreactor
 Cấu trúc bioreactor
6. Motor
1. Cửa nạp nguyên liệu

7. Đai bảo vệ
8. Thanh truyền động

11. Vách ngăn
12. Lớp giữ nhiệt
9. Cánh quạt
10. Bộ phận cảm biến

3. Hệ thống sục khí

4. Ống dẫn nước

13. Cửa rút nguyên liệu
5. Ống thoát nước
2. Ống dẫn khí vào

Hình 4.1: Mô hình bioreactor được nối với cánh khuấy có mô-tơ
Có nhiều kiểu bioreactor khác nhau. Chúng được phân biệt theo dạng: phương
pháp khuấy, theo kiểu bầu chứa, theo kiểu sục khí, theo chế độ chiếu sáng (Takayama,
1991).

 Bùi Văn Thành


- 11 -

Xét về cấu tạo chung thì bioreactor nuôi cấy mô thực vật cũng giống
bioreactor nuôi cấy tế bào động vật hay vi sinh vật
Vào khoảng cuối năm 1950, các nhà khoa học đã thiết kế nhiều kiểu bồn lên
men (fermenter). Các kiểu đơn giản được thiết kế vào năm 1959, bao gồm bình 20
lít. Bình này có một nút cao su lớn và 4 ống nhỏ (ống cho khí vào, ống khí ra, ống
môi trường vào, ống lấy mẫu ra). Hệ thống chai quay được thiết kế năm 1964.
Hiện nay, tuy kích thước bioreactor nuôi cấy tế bào thực vật không ngừng tăng

lên nhưng cấu trúc của chúng vẫn tương tự các bồn lên men vi sinh vật.
Bioreactor là một mô hình nuôi cấy phù hợp nhất cho nuôi cấy mô thực vật
trong việc sản xuất nhanh một số lượng lớn cây con trong một mẻ nuôi cấy. Các
loại bioreactor được sử dụng phổ biến là loại có thể tích 2 - 20 lít vì chúng có số
một thuận lợi sau:
-

Dễ dàng vận hành;

-

Có thể vô trùng dễ dàng;

-

Giá thành thấp;

-

Ít gây hậu quả nghiêm trọng khi bị nhiễm;

-

Kích thước nhỏ;

-

Tạo ra từ 1 - 10.000 cây con trong một mẻ.

Gần đây các bioreactor 500 lít được sản xuất để sản xuất chồi Stevia rebaudiana

và tạo ra khoảng 200.000 cây con trong 1 mẻ nuôi cấy sau đó chuyển ra đất.
Có nhiều loại bioreactor được thiết kế nhằm nhiều mục đích khác nhau đối với từng
loại cây trồng, kiểu nuôi cấy hay giai đoạn nuôi cấy.
Sau đây là cách phân loại bioreactor theo hình thức khuấy:
-

Bioreactor khuấy máy;

-

Bioreactor khuấy hơi nước;

-

Bioreactor không khuấy.

 Bùi Văn Thành


- 12 -

 Bioreactor khuấy bằng cơ học
- Bioreactor khuấy thoáng khí: Kiểu bioreactor này thường được đề cập
dưới dạng những bình phản ứng khuấy trộn (stirred tank bioreactors - STRS) có
cánh khuấy chẳng hạn như tua-bin, chân vịt, mái chèo hay ruy-băng xoắn ốc. Nói
chung thì bioreactor dạng này thường được sử dụng trong nuôi cấy tạo phôi. Nhưng
hiện nay vẫn còn quá ít các nghiên cứu tiến hành so sánh hiệu quả giữa các kiểu
bioreactor.
- Bioreactor màng lọc xoay: Kiểu bioreactor này có một màng lọc xoay có
nhiệm vụ hòa trộn huyền phù nuôi cấy và đồng thời lấy đi môi trường đã sử dụng

và bổ sung môi trường mới vào. Các màng lọc quay khuấy trộn môi trường không
làm xé rách màng tế bào chính là nhờ vào việc tạo ra được những đường khuấy
mỏng
 Bioreactor khuấy bằng cách sục khí
- Đây là kiểu bioreactor được thiết kế với một bộ phận sủi bọt khí ở phía
dưới đáy bình, nó có nhiệm vụ là khuấy trộn môi trường và cung cấp oxygen.
- Bioreactor sục khí dạng hình cột: Bioreactor sủi bọt hình cột tạo ra ít sự cọ
sát giữa các mẫu. Loại bioreactor này thích hợp cho nuôi cấy nhiều loại cây khác
nhau thông qua quá trình nuôi cấy chồi, thân củ, rễ củ,…(Takayama, 1991). Hơn
nữa, việc chia bioreactor sủi bọt hình cột thành nhiều phần và cài đặt nhiều bộ phận
sủi bọt khí sẽ đẩy nhanh tốc độ tăng sinh khối.
4.1.4. Ảnh hưởng của pH, nhiệt độ, ánh sáng và điều kiện vật lý trong
bioreactor
PH của môi trường nuôi cấy thường ở khoảng 6, thấp hơn 4,5 hoặc cao hơn 7
đều ức chế sự phát triển của mô.
Ánh sáng cần thiết cho sự phát sinh hình thái của mô cấy. Trong tạo chồi ban
đầu và nhân chồi tiếp theo, cường độ ánh sáng chỉ cần trong khoảng 1.000 lux.
Nhưng trong giai đoạn tạo rễ, cây cần chiếu sáng ở cường độ cao từ 3.000 - 10.000

 Bùi Văn Thành


- 13 -

lux để kích thích cây chuyển từ giai đoạn dị dưỡng sang tự dưỡng có khả năng quang
hợp. Dưới cường độ ánh sáng cao, cây lùn và có màu xanh hơi giảm nhưng có tỷ lệ
sống sót cao khi chuyển sang môi trường đất. Chưa có nhiều nghiên cứu về chế độ
sáng trong môi trường cấy mô, nhưng thời gian chiếu sáng 16 giờ/ngày của bóng đèn
nêon huỳnh quang là thích hợp cho sự phát triển mô cấy của nhiều loài. Cấy phôi
thường không sử dụng ánh sáng đèn. Theo Scozzoli và Pasini, 1992; Pinto và csv,

1994, cấy phôi đào nên để trong tối 14 ngày. Tương tự, ở cây bơ nên để 21 ngày
trong tối ở nhiệt độ 210C (Lano và csv, 1995).
Ngoài ra, để mô cấy phát triển tốt thì môi trường nuôi cấy phải thông thoáng
và có nhiệt độ thích hợp, nhiệt độ trong phòng nuôi cấy thường được giữ ở 25-28oC
(Nguyễn Văn Uyển, 1993).
4.2 Cảm biến nhiệt độ
Tùy theo lĩnh vực đo và điều kiện thực tế mà có thể chọn một trong bốn loại
cảm biến: thermocouple, RTD, thermistor, và IC bán dẫn. Mỗi loại có ưu điểm và
khuyết điểm riêng của nó.
a) Thermocouple
 Ưu điểm:
-

Là thành phần tích cực, tự cung cấp công suất;

-

Đơn giản;

-

Rẻ tiền;

-

Tầm thay đổi rộng;

-

Tầm đo nhiệt rộng.

 Khuyết điểm:
-

Phi tuyến;

-

Điện áp cung cấp thấp;

-

Đòi hỏi điện áp tham chiếu;

 Bùi Văn Thành


- 14 -

-

Kém ổn định nhất;

-

Kém nhạy nhất.

b) RTD (resistance temperature detector)
 Ưu điểm:
-

Ổn định nhất;

-

Chính xác nhất.

-

Tuyến tính hơn thermocouple.

 Khuyết điểm:
-

Mắc tiền;

-

Cần phải cung cấp nguồn dòng;

-

Lượng thay đổi R nhỏ;

-

Điện trở tuyệt đối thấp;

-

Tự gia tăng nhiệt.

c) Thermistor
 Ưu điểm:
-

Ngõ ra có giá trị lớn;

-

Nhanh;

-

Đo hai dây;

 Khuyết điểm:
-

Phi tuyến;

-

Giới hạn tầm đo nhiệt;

-

Dễ vỡ;

-

Cần phải cung cấp nguồn dòng;

-

Tự gia tăng nhiệt.

 Bùi Văn Thành


- 15 -

d) IC cảm biến
 Ưu điểm:
-

Tuyến tính nhất;

-

Ngõ ra có giá trị cao nhất;

-

Rẻ tiền;

 Khuyết điểm:
-

Nhiệt độ đo dưới 200C;

-

Cần cung cấp nguồn cho cảm biến.

e) Cảm biến được sử dung trong đề tài
Đây là lại cảm biến đo nhiệt độ, tầm đo nhiệt độ nằm trong khoảng từ -200C
đến 1100C. Cảm biến này tuyến tính và đầu ra được chuyển thành 6 pin.

Hình 4.2: Cảm biến nhiệt độ
Các thông số kỹ thuật:
Độ nhạy

18 mV / °C

Điện thế ra

0 - 2.5V

Tầm đo

-20 to 110 °C

Độ phân giải 12 bit
Chuyển đổi A/D 5V

 Bùi Văn Thành

0.07 °C

- 16 -

Đầu kết nối
Chân 2: GND, 3 VRes, 6 ra tín hiệu

Hình 4.3: Giản đồ sự tương quan giữa nhiệt độ và áp ra của cảm biến
4.3 Cảm biến pH
4.3.1 Định nghĩa pH
pH được định nghĩa là -log độ hoạt động của ion hydrogen (phương trình 1).
Trong hầu hết các trường hợp, độ hoạt động của ion hydrogen trong dung dịch có
thể tương đương nồng độ mol ion hydrogen ([H+]) trong dung dịch (phương trình
2).
Vì thế:
pH = -log aH+
Trở thành:

 Bùi Văn Thành

(1)


- 17 -

pH = -log [H+]

(2)

4.3.2 Đo giá trị pH
Hầu hết tất cả các phương pháp đo pH trong thực tế dùng 3 loại điện cực

chính:
- Điện cực nhạy với pH (bao gồm điện cực thủy tinh và atimon);
- Các transitor nhạy pH (ISFET);
- Hiện tượng quang nhạy pH.
Trong các loại điện cực trên, điện cực thủy tinh nhạy pH được dùng phổ biến
nhất.
4.3.3 Điện cực thủy tinh nhạy pH
Khoảng năm 1906, Cremer phát hiện thấy một vài loại thủy tinh sinh ra điện
thế. Độ lớn của điện thế này phụ thuộc vào độ acid của dung dịch mà thủy tinh đó
nhúng vào. Sau đó, tập đoàn Corning Glass Works đã phát triển một loại thủy tinh
nổi tiếng tên là Corning 015. Nó bao gồm 72,2% SiO2; 6,4% CaO và 21,4% Na2O.
Loại thủy tinh này có thể được dùng để đo pH trong khoảng từ 0 tới 9. Sau đó, loại
thủy tinh được thêm vào LiO2, Cs2O, Bao và La2O3 được phát triển. Với những loại
này, người ta có thể đo được những giá trị pH cao hơn.
a) Cấu trúc của điện cực thủy tinh
Cấu trúc cơ bản của điện cực thủy tinh được trình bày trong hình 4.4

 Bùi Văn Thành


- 18 -

Hình 4.4: Cấu trúc cơ bản của điện cực thủy tinh
- E1 giữa điện cực nội và dung dịch điện phân.
- E2 giữa bề mặt trong của điện cực thủy tinh và dung dịch điện phân.
- E3 giữa bề mặt ngoài của điện cực thủy tinh và dung dịch được đo.
Trong đó:
E1 là hằng số.
Hiệu điện thế E3 là một chỉ số quan trọng của giá trị pH và được tính bằng
phương trình Nernst:

 R T 

E3  E 0  
  ln[ H 3O ]outer
F



(4.1)

Với E0 là hằng số ở một nhiệt độ nhất định, và [H3O+]outer là độ hoạt động của
ion H3O+ trong dung dịch.
Hiệu điện thế E2 cũng được tính bằng phương trình Nernst:
 R T 

E 2  E0  
  ln[ H 3O ]inner
 F 

(4.2)

Với [H3O+]inner là là độ hoạt động của ion H3O+ trong dung dịch điện phân bên
trong điện cực. Vì dung dịch điện phân là dung dịch đệm, hiệu điện thế E2 là hằng
số. Tại một nhiệt độ nhất định, chỉ có E3 là thay đổi, và nó thay đổi khi nồng độ
H3O+ thay đổi trong dung dịch đo.

 Bùi Văn Thành


- 19 -

Bằng cách thay ln[H3O+] = ln10 lg[H3O+] và pH = - lg[H3O+], phương trình
(2.1) có thể được viết lại như sau:
 R  T  ln 10 
E3  E 0  
  pH outer
F



(4.3)

và phương trình (2.2) trở thành:
 R  T  ln 10 
E 2  E0  
  pH inner
F



(4.4)

Hiệu điện thế ở dây tín hiệu ra của điện cực là:
EM  E1  E2  E3

(4.5)

Phương trình (2.7) được viết lại:
EM  EM 0  (

R  T  ln 10
) pH outer
F

(4.6)

Với:
E M 0  E1  (

R  T  ln 10
) pH inner
F

(4.7)

Phương trình (2.6) cho thấy, điện thế của điện cực thủy tinh là một hàm của pH và
nhiệt độ.
b) Điện thế không đối xứng
Nguyên nhân của điện thế không đối xứng là sự khác nhau trong đáp ứng của
mặt ngoài và mặt trong của màng thủy tinh. Trong trường hợp chất lỏng bên trong
và chất lỏng bên ngoài giống nhau, vẫn tồn tại một hiệu điện thế giữa hai mặt được
gọi là điện thế không đối xứng. Điện thế này chỉ vài milivolt, nhưng thay đổi từ từ
theo tuổi thọ của điện cực. Nguyên nhân của điện thế không đối xứng là:
- Sức căng khác nhau ở mặt trong và mặt ngoài điện cực.

 Bùi Văn Thành