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 QUANG HƯNG

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

Tp. Hồ Chí Minh
Tháng 07 năm 2007


Article I.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ

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 QUANG HƯNG
Khóa: 2003 - 2007

Tp. Hồ Chí Minh
Tháng 07 năm 2007


MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING
NONG LAM UNIVERSITY
FACULTY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY

DESIGNING – MANUFACTING AND TESTING
A MODEL OF BIOREACTOR
Speciality: Mechaninics For Agricultural Product Processing And
Consercation

Supervisor:

Student:

Dr. NGUYEN VAN HUNG

BUI QUANG HUNG
Course: 2003 - 2007

Ho Chi Minh, city
July, 2007

LỜI CẢM TẠ
Chân thành cảm tạ:
 Ban giám hiệu trường Đại học Nông Lâm Tp HCM.
 Ban chủ nhiệm Khoa Cơ Khí – Công Nghệ trường Đại học Nông Lâm Tp
HCM.
 Quý thầy cô trong Khoa Cơ Khí – Công Nghệ trường Đại học Nông Lâm Tp
HCM.
 Xin chân thành tỏ lòng biết ơn đến thầy TS. NGUYỄN VĂN HÙNG đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ chúng tôi thực hiện đề tài tốt nghiệp này.
 Xin cảm ơn kỹ sư Lê Tấn Đức đã giúp đỡ chúng tôi trong quá trình làm đề tài.
 Các thầy cô ở Thư viện trường đại học Nông Lâm Tp HCM đã giúp đỡ chúng
tôi có thể hoàn thành luận văn này.
 Chúng tôi xin cám ơn các bạn lớp CK29B đã đóng góp ý kiến cho chúng tôi
trong quá trình thực hiện đề tài.
 Cuối cùng con xin gửi những tình cảm thiêng liêng nhất đến cha mẹ, 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.

-1-

Bùi Quang Hưng


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 trong nước chúng em chưa thấy có đơn
vị nào công bố kết quả về lĩnh vực này. Đề tài là cơ sở cho các ứng dụng bioreactor
trên quy mô lớn hơn trong tạo giống cũng như nuôi cấy tế bào thực vật chứa 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.

-2-

Bùi Quang Hưng


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 in Vietnam. 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
implemented with following results:
 Completely manufactured bioreactor system.
 Several experiments was done and results was satisfactory with typical
requirement of a bioreactor system.

-3-

Bùi Quang Hưng


MỤC LỤC

Trang
LỜI CẢM TẠ ............................................................................................... i
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ...................................................................................... ii
SUMMARY .................................................................................................. iii
MỤC LỤC .................................................................................................... iv
1. MỞ ĐẦU................................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề .......................................................................................... 1
1.2 Mục đích luận văn .............................................................................. 2
2. TỔNG QUAN........................................................................................... 3
2.1 Tìm hiểu các quá trình nuôi cấy mô thực vật..................................... 3
2.1.1 Giới thiệu nuôi cấy mô in vitro ................................................. 3
2.1.2 Giới thiệu nuôi cấy mô bằng bioreactor ................................... 5
2.1.3 Phân loại bioreactor ................................................................... 6
2.1.4 Ảnh hưởng của pH, nhiệt độ, ánh sáng và điều kiện
vật lý trong bioreactor ....................................................................... 8
2.2 Cảm biến nhiệt độ ............................................................................. 9
2.2.1. Thermocouple ........................................................................... 9
2.2.2. RTD (resistance temperature detector)..................................... 9
2.2.3. Thermistor ................................................................................ 10
2.2.4. IC cảm biến .............................................................................. 10
2.2.5. Cảm biến được sử dụng trong đề tài ........................................ 10
2.3 Thiết bị logic lập trình PLC LOGO! ................................................. 11
2.3.1 Giới thiệu LOGO! .................................................................... 11
2.3.2 Bộ nhớ LOGO! ......................................................................... 12
2.3.3 Giới thiệu phần mềm ................................................................ 12
2.3.4 Cấu trúc của LOGO! Loại 12/24RC ......................................... 12
3. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN ................................................. 15
-4-

Bùi Quang Hưng

3.1. Cơ sở thiết kế chế tạo ....................................................................... 15
3.2. Thử nghiệm và kiểm tra ................................................................... 15
3.3. Phương tiện ....................................................................................... 16
4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 17
4.1. Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống nhân giống nhanh Bioreactor ... 17
4.1.1. Yêu cầu thiết kế ....................................................................... 17
4.1.2. Lựa chọn mô hình hệ thống Bioreactor ................................... 18
4.1.3. Thiết kế thùng nuôi cấy Bioreactor......................................... 19
4.1.4. Thiết kế bộ phận bơm dung dịch qua lại giữa hai bình .......... 21
4.1.5. Thiết kế bộ phận sục khí ......................................................... 21
4.1.6. Thiết kế bộ phận điều khiển nhiệt độ ...................................... 22
4.1.7. Thiết kế hệ thống điều khiển chung ........................................ 23
4.1.8. Kết quả chế tạo ...................................................................... 27
4.2. Kết quả khảo nghiệm sơ bộ .............................................................. 30
4.2.1. Mục đích khảo nghiệm ............................................................. 30
4.2.2. Kết quả đo đạc .......................................................................... 30
5. KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ ......................................................................... 32
5.1 KẾT LUẬN ....................................................................................... 35
5.2 ĐỀ NGHỊ ........................................................................................... 35
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................... 37
7. PHỤ LỤC ................................................................................................ 38

-5-

Bùi Quang Hưng


Chương 1

MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề :
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.
-6-

Bùi Quang Hưng

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 TS. Nguyễn Văn Hùng, em đã tiến hành thực hiện đề tài:
“Thiết kế - chế tạo – khảo nghiêm mô hình hệ thống nhân giống nhanh
Bioreactor”.
1.2 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 mô hình hệ thống bình nuôi cấy.
 Nghiên cứu lắp đặt hệ thống điều khiển bằng tay và điều khiển tự động để điều
khiển các thiết bị bằng PLC LOGO!.

-7-

Bùi Quang Hưng


Chương 2
TỔNG QUAN
Quy trình nhân giống vô tính thực vật được miêu tả qua chuỗi các hình ảnh sau:

Hình2.1: Quy trình nhân giống cây hoa Thu hải đường bằnh Bioreactor
2.1. Tìm hiểu các quá trình nuôi cấy mô thực vật
2.1.1. 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

-8-

Bùi Quang Hưng


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.
o 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 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.
-9-

Bùi Quang Hưng


2.1.2. 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).
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.
- 10 -

Bùi Quang Hưng


-

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 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).
2.1.3. Phân loại bioreactor
 Cấu trúc bioreactor
6. Motor
7. Đai bảo vệ

1. Cửa nạp nguyên liệu

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 2.2 : Mô hình bioreactor được nối với cánh khuấy có mô-tơ

- 11 -

Bùi Quang Hưng


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).
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.

 Bioreactor khuấy bằng cơ học
- 12 -

Bùi Quang Hưng


- 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.
2.1.4. 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 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).
- 13 -

Bùi Quang Hưng


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).
2.2 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.
2.2.1. 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.

-

Kém ổn định nhất.

-

Kém nhạy nhất.

2.2.2. 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.
- 14 -

Bùi Quang Hưng


-

Tự gia tăng nhiệt.

2.2.3 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.
2.2.4 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.
2.2.5 Cảm biến được sử dung trong đề tài
Trong đề tài sử dụng loại cảm biến IC bán dẫn LM335.
 Nguyên lý :
Là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới dạng điện áp
hoặc tín hiệu dòng điện. Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra
điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Đo tín hiệu điện, ta biết được
giá trị của nhiệt độ cần đo.
 Đặc tính của IC LM335 :
- Ngõ ra là điện áp.
- Độ nhạy : 10mV/0C.
- 15 -

Bùi Quang Hưng


- Dòng làm việc : 400A  500A : không thay đổi đặc tính.
- LM135 có sai số cực đại là 1,50C khi nhiệt độ lớn hơn 1000C.
- Phạm vi sử dụng: -100C  1250C.
2.3. Thiết bị logic lập trình PLC LOGO!
2.3.1. Giới thiệu LOGO!
LOGO! là một thiết bị điều khiển lập trình cỡ nhỏ do hãng SIEMENS của
CHLB Đức chế tạo. Thiết bị có chứa tất cả các chức năng như rơle trễ thời gian, bộ
thời gian, bộ đếm, rơ le tự giữ… và có khả năng lập trình kết nối chúng để hình thành
một logic điều khiển cho thiết bị mắc ở lối ra, tương ứng với các trạng thái ở lối vào.
Với cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng.

LOGO! là một phương tiện và giải pháp thích hợp, tiết kiệm, tin cậy cho điều
khiển các hệ thống nhỏ như trong điện dân dụng , tủ điều khiển điện… Nói chung,
LOGO! được ứng dụng ở các nơi mà giải pháp thông thường với các bộ điều khiển lập
trình cỡ nhỏ tạo từ các linh kiện rời không còn kinh tế, không bảo đảm tin cậy, hoặc
tốn thời gian và công sức, chiếm nhiều không gian, còn nếu sử dụng thiết bị PLC thì
lại dư thừa chức năng.

Hình 2.3 : Bộ điều khiển LOGO!
Về chức năng, các thiết bị thuộc họ LOGO! cơ bản giống nhau. Điểm khác biệt
chính là nguồn sử dụng, cho phép lựa chọn kiểu thiết bị thích hợp cho bài toán đặt ra.
Trong mô hình ở đây, LOGO! được sử dụng là loại 12/24RC.
- 16 -

Bùi Quang Hưng


2.3.2 Bộ nhớ của LOGO!
Một chương trình điều khiển hay kích thước một sơ đồ cụ thể dùng với LOGO!
tùy thuộc vào dung lượng bộ nhớ của LOGO!.
Bộ nhớ của LOGO! được chia ra làm 4 vùng, mỗi vùng nhớ một chức năng và
một kích thước cố định. Giới hạn bộ nhớ trong các vùng như sau:
 PAR: vùng nhớ LOGO! dùng để chứa các giá trị đặt. Ví dụ giới hạn giá tị
counter.
 RAM: vùng nhớ LOGO! dùng để chứa giá trị thực thi. Ví dụ giá trị counter.
 Timer: vùng nhớ LOGO! dùng cho các hàm timer. Ví dụ delay.
 REM: vùng nhớ LOGO! dùng để chứa giá trị nhớ tức thời. Ví dụ đếm thời gian.
2.3.3 Giới thiệu phần mềm
Phần mềm trên Windows dùng giao tiếp với LOGO! là LOGO! Soft-comfort
V5.0 (bản mới nhất).
Lợi điểm của việc dùng PC để viết chương trình lá sửa đổi dễ dàng. Có thể

upload hay download với LOGO! như 1 PLC. Cũng có thể chạy thử chương trình trên
PC mà không cần qua LOGO!. Đặc biệ có thể lập trình bằng LAD mà nếu lập trình
trực tiếp trên LOGO! không làm được. Với ưu điểm này ta có thể viết chương trình
phức tạp. Quá trình kết nối PC và LOGO! thông qua Card hoặc cáp RS232 của
Siemens cho LOGO!. Chương trình tự động tìm cổng COM thích hợp để kết nối.
Đối với các loại LOGO! khác nhau khi tải chương trình, phần mềm sẽ tự thay
đổi một số hàm sao cho phù hợp với loại LOGO! sử dụng.
Có thể lưu trữ chương trình thành file để lưu trữ. File chương trình LOGO! có
đuôi là .lsc.
2.3.4 Cấu trúc của LOGO! loại 12/24RC
Cấu trúc của LOGO! bao gồm khối chức năng cơ bản chính LOGO! Basic và
các module kèm theo, có thể là analog module (AM) hoặc là digital module (DM).

- 17 -

Bùi Quang Hưng


Hinh 2.4 : Sơ đồ LOGO!

Hình 2.5 : Sơ đồ module DM8

- 18 -

Bùi Quang Hưng


1

Nguồn cung cấp

6

Màn hình hiển thò
( Không có trong RCo )

2

Các cổng nhận

7

Đèn chỉ báo CHẠY/DỪNG

3

Các cổng ra

8

Giao diện mở rộng

4

Nắp đậy khe cắm cáp

9

Các chốt cài

5

Bảng điều khiển
( Không có trong RCo )

10 Khe cắm chốt cài

Hình 2.6: Cấu trúc của LOGO! Loại 12/24RC

- 19 -

Bùi Quang Hưng


Chương 3
PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN
 Cơ sở thiết kế dựa trên mô hình của Takayama,1991.
 Phần điều khiển dựa trên PLC LOGO!.
3.1 Cơ sở thiết kế - chế tạo
-

Nghiên cứu các quá trình nhân giống và sự phát triển của mô thực vật.

-

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhân giống thực vật.

-

Tìm hiểu các phương pháp nhân giống thực vật.

-

Các yêu cầu đối với quá trình nhân giống và thiết kế hệ thống nhân giống.

-

Tìm hiểu phương pháp chế tạo và điều khiển hệ thống.

-

Từ tài liệu tham khảo thiết kế hệ thống mô hình Bioreactor.

-

Thành lập bản vẽ chi tiết.

-

Chế tạo mô hình.

-

Bố trí các thiết bị trong hệ thống.

-

Thiết kế mạch điều khiển hoạt động các quá trình: bơm dịch, sục khí, khuấy,
ánh sáng và điều khiển nhiệt độ trong bình nuôi cấy.

-

Lắp ráp toàn bộ mạch và cho chạy thử bằng các công tắc tay .

-

Viết chương trình thử nghiệm và cho chạy giả lập trên máy tính.

-

Hoàn thiện chương trình phần mềm.

-

Hiệu chỉnh mạch .

-

Chạy thử nghiệm và kiểm tra.

3.2 Thử nghiệm và kiểm tra
Do thời gian hạn chế nên chúng tôi chỉ cho chạy thử nghiệm sơ bộ và đánh giá
thiết bị với các chỉ tiêu sau :
Độ ổn định : thiết bị bước đầu đáp ứng yêu cầu đề ra.
Độ tin cậy : máy không xảy ra tình trạng hư hỏng khi thử nghiệm.

- 20 -

Bùi Quang Hưng

3.3 Phương tiện

 PLC LOGO!
 Một số thiết bị phụ được chọn lựa có sẵn trên thị trường như : Bơm khí, Bơm
nước, Động cơ điện một chiều, Van khí, Bình làm nóng nước, Bình làm lạnh
nước, Biến điện…

:

- 21 -

Bùi Quang Hưng


Chương 4
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống nhân giống nhanh Bioreactor
4.1.1. Yêu cầu thiết kế
Một quá trình nuôi cấy thực vật bằng hệ thống bioreactor có rất nhiều yếu tố ảnh
hưởng đến nó. Nhưng trong điều kiện hạn hẹp về thời gian và kinh phí, chúng em chỉ xin
đưa ra một số chỉ tiêu cơ bản của một hệ thống bioreactor như sau:
- Trong thực tế, các hệ thống lớn được trang bị nồi hơi nên có khả năng khử
trùng ở nhiệt độ cao(1210C, 1atm), nhưng trong mô hình không có thiết bị nồi hơi chỉ
có thể khử trùng ở 80oC. Trước và trong quá trình nuôi cấy, thùng nuôi cấy cần phải
đảm bảo luôn vô trùng. Để thực hiện được yêu cầu này, chúng ta cần phải khử trùng
thùng nuôi cấy ở nhiệt độ cao trước khi tiến hành việc nuôi cấy.
- Thùng phải đảm bảo độ kín khít để không bị nhiễm khuẩn trong suốt quá trình
nuôi cấy.
- Thao tác dễ dàng: điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho những người sử

dụng khi tiến hành nuôi cấy.
- Có khả năng giám sát và điều khiển các thông số sau:
+ Nhiệt độ: 200C ÷ 300C. Trong quá trình nuôi cấy, nhiệt độ trong thùng luôn
có xu hướng tăng lên do sự trao đổi chất của thực vật. Nếu nhiệt độ này vượt quá
khoảng nhiệt độ cho phép thì quá trình sinh trưởng của thực vật sẽ bị chậm lại hoặc
thậm chí thực vật sẽ chết. Do đó việc giám sát và điều khiển nhiệt độ là điều phải được
đảm bảo.
+ Cường độ ánh sáng: Ánh sáng là điều kiện không thể thiếu cho quá trình
quang hợp của thực vật. Tùy theo loài thực vật khác nhau sẽ thích ứng với các cường
độ chiếu sáng khác nhau.Để điều khiển được cường độ sáng thì phải trang bị cảm biến
ánh sáng và thiết bị điều chỉnh ánh sáng bằng điện phụ trợ. Trong giới hạn của đề tài,
chúng em chỉ có thiết bị điều chỉnh ánh sáng bằng núm biến điện vặn tay.
- 22 -

Bùi Quang Hưng