Nghiên cứu và thiết kế mạch tự động điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn

Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
1
Mở đầu
1. Đặt vấn đề
Đã từ xa xa, mặc dù cha nhận thức đợc sự tồn tại của vi khuẩn,
nhng loài ngời cũng đã biết đợc khá nhiều về tác dụng do vi khuẩn gây
nên. Đến nay trong quá trình sản xuất và trong cuộc sống, loài ngời đã tích
lũy đợc rất nhiều kinh nghiệm quý báu về các biện pháp ứng dụng những vi
khuẩn có ích và phòng tránh những vi khuẩn có hại.
Vi khuẩn có kích thớc nhỏ bé và có cấu trúc cơ thể tơng đối đơn giản
nhng chúng có tốc độ sinh sôi nảy nở rất nhanh chóng và hoạt động trao đổi
chất vô cùng mạnh mẽ. Vi khuẩn có khả năng góp phần phân giải hầu hết các
loại chất trên Trái Đất, kể cả các chất rất khó phân giải, hoặc các chất thờng
gây độc hại đến các nhóm sinh vật khác. Bên cạnh khả năng phân giải vi
khuẩn còn có khả năng tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ phức tạp trong điều
kiện nhiệt độ, áp suất bình thờng.
Ngoài những tác dụng to lớn của vi khuẩn thì chúng ta cũng không thể
không kể đến không ít những vi khuẩn có hại, chúng gây bệnh cho ngời, cho
gia súc, gia cầm, tôm cá, cho cây trồng, cây rừng, chúng làm h hại hoặc biến
chất lơng thực, thực phẩm, nguyên vật liệu, hàng hóa. Chúng sản sinh ra các
độc tố trong đó có những độc tố hết sức độc hại.
Trong Y học cũng nh trong chăn nuôi, trồng trọt một trong những vấn
đề lớn đó là có thể phòng chống đợc các bệnh truyền nhiễm và các phơng
pháp đề phòng dịch bệnh có thể lây nhiễm từ súc vật sang ngời, từ ngời sang
ngời...
Trong xu thế áp dụng rộng rãi Điện tử, Tin học vào cuộc sống, hầu hết
các thiết bị hiện nay có sử dụng Điện tử đã và đang đợc hoàn thiện nhằm
nâng cao chất lợng cuộc sống. Đặc biệt là trong Y học và trong chăn nuôi, để
có thể nuôi cấy và duy trì sự sống của những vi khuẩn nhằm nghiên cứu phục

vụ cho cuộc sống và sản xuất, đặc biệt là phục vụ cho việc nghiên cứu khoa
học nhằm phát hiện ra những vi khuẩn có ích khác và những vi khuẩn có hại
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
2
mới để có thể khống chế đợc chúng, sử dụng chúng vào những việc có lợi cho
con ngời. Khi đó, tủ nuôi cấy vi khuẩn có sử dụng mạch điện tử vào điều
khiển đã ra đời nhằm duy trì sự sống cho vi khuẩn và nuôi cấy chúng ở nhiệt
độ và thời gian nhất định nào đó.
Mặc dù trên thế giới hiện nay có khá nhiều chủng loại thiết bị nuôi cấy
hiện đại, công suất lớn. Song một phần nào đó không hoàn toàn phù hợp với
điều kiện ở Việt Nam.
Do đó, để đáp ứng phần nào đó những nhu cầu trên cùng với sự nắm bắt
đợc những tiến bộ của khoa học kỹ thuật đặc biệt là điện tử đã và đang đợc
ứng dụng mạnh mẽ vào cuộc sống và sản xuất chúng tôi tiến hành đề tài:
Nghiên cứu và thiết kế mạch tự động điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi
cấy vi khuẩn. Trong quá trình thực hiện đề tài chúng tôi tiến hành nghiên
cứu và khảo sát các loại tủ nuôi cấy trong bệnh viện Bạch Mai, khảo sát sự
biến đổi của nhiệt độ và thời gian trong quá trình nuôi cấy. Từ kết quả đó
chúng tôi tiến hành xây dựng mô hình và lắp ráp trên thực tế. Với những kết
quả đã đạt đợc, khẳng định hệ thống điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy do
chúng tôi thiết kế là hoàn toàn có tính khả thi trong điều kiện nớc ta hiện nay.
2. Mục đích của đề tài
Trên cơ sở những kiến thức đã học đợc trong nhà trờng và những kiến
thức thực tế tiếp thu đợc trong quá trình thực tập chúng tôi mạnh dạn đề xuất,
thiết kế mạch tự động điều chỉnh nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn và lắp ráp
mạnh tự động điều chỉnh nhiệt độ. Mạch này có thể dùng để thay thế các mạch
điều chỉnh nhiệt độ trong các tủ gặp sự cố cần sửa chữa để không làm gián
đoạn thời gian nghiên cứu của các nhà vi sinh vật. Đặc biệt, mạch này cũng có

thể dùng để lắp mới.
3. Nội dung của đề tài
Tìm hiểu khái quát về đặc điểm và các điều kiện sống của vi khuẩn, các
tác động của môi trờng đối với điều kiện phát triển của vi khuẩn.
Trình bày nguyên tắc chung của mạch điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
3
Giới thiệu một số sơ đồ điều khiển thực tế đang đợc sử dụng và những
phụ kiện quan trọng đối với mạch điều khiển nhiệt độ.
Tính toán và thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi
khuẩn.
4. Phơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu theo phơng pháp lý thuyết
- Nghiên cứu theo phơng pháp ứng dụng
- Nghiên cứu theo phơng pháp chuyên gia

Chơng 1
Tìm hiểu đặc điểm, điều kiện sinh sống của vi khuẩn và tác động của môi trờng đối
với sự phát triển của vi khuẩn
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
4

1.1. Khái niệm chung
Xung quanh ta ngoài các sinh vật lớn mà chúng ta có thể nhìn thấy đợc
còn có vô vàn các sinh vật nhỏ bé, muốn nhìn thấy chúng phải dùng kính hiển
vi. Ngời ta gọi chúng là vi khuẩn.
Vi khuẩn sống ở khắp mọi nơi trên Trái Đất: từ đỉnh núi cao cho đến tận
đáy biển sâu, trong không khí, trong đất, trong hầm mỏ, trong sông ngòi, ao
hồ, trên da, trong từng bộ phận của cơ thể ngời, động vật, thực vật, trong các
sản phẩm lơng thực, thực phẩm, vật liệu, hàng hóa... ngay cả ở trong những
nơi mà điều kiện sống tởng chừng nh hết sức phức tạp và khắc nhiệt nhất mà
vẫn thấy có sự phát triển của vi khuẩn.
Chẳng hạn nh vi khuẩn Pseudomonas bathycetes chúng có thể sống
đợc dới đáy đại dơng, nơi mà có áp suất lên tới 1000 atm và nhiệt độ
thờng xuyên chỉ vào khoảng 3
0
C. Vi khuẩn Sulfolobus acidorcaldrius phát
triển một cách bình thờng trong nhiệt độ khoảng từ 85 90
0

C. Vi khuẩn
Thiobacillus ferroxidans phát triển trong các dung dịch ở mỏ sắt có độ pH = 1 - 2.
Vi khuẩn Streptococcus faecalis lại có thể phát triển tốt ở môi trờng có độ
PH = 10 - 11. Vi khuẩn a mặn thuộc các chi Halobacterium, Halococcus
phát triển đợc trong các dung dịch bão hòa muối (32% NaCl). Có cả những vi
khuẩn có khả năng đồng hóa dầu mỏ, phenol, khí thiên nhiên...
Ngời ta đã làm thí nghiệm và tính toán đợc rằng trong 1gam đất lấy ở
tầng canh tác thờng có khoảng từ 1 - 22 tỉ con vi khuẩn, 0.5 - 14 triệu xạ
khuẩn, 3 - 50 triệu vi nấm, 10 - 30 nghìn vi tảo... và trong 1m
3
không khí ở
phía trên chuồng gia súc thờng có từ 1 - 2 triệu vi sinh vật, trên đờng phố có
khoảng 5000 vi sinh vật sinh sống, nhng đặc biệt trên mặt biển chỉ có khoảng
từ 1 - 2 vi sinh vật sinh sống mà thôi.
Đặc biệt là kể từ đầu thập kỷ 70 của thế kỷ XX ngời ta đã bắt đầu thực
hiện thành công thao tác di truyền ở vi khuẩn. Đó là việc chuyển một gen hay
một nhóm gen từ một vi khuẩn hay một tế bào các vi khuẩn bậc cao (nh
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
5
ngời, động vật, thực vật) sang tế bào của vi khuẩn khác. Vi khuẩn mang gen
tái tổ hợp nhiều khi đã mang lại những lợi ích rất to lớn bởi vì có thể sản sinh ở
quy mô công nghiệp những sản phẩm trớc đây cha đợc tạo thành bởi vi
khuẩn.
1.2. Đặc điểm chung của vi khuẩn
1.2.1. Kích thớc nhỏ bé
Mắt con ngời khó thấy đợc rõ những vật có kích thớc nhỏ khoảng
1mm. Vậy mà vi khuẩn thờng đợc đo bằng micromet. Chính vì vi khuẩn có
kích thớc nhỏ bé cho nên diện tích bề mặt của vi khuẩn hết sức lớn. Chẳng

hạn nh số lợng cầu khuẩn chiếm thể tích 1cm
3
có diện tích bề mặt là 6m
2
.
1.2.2. Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh
Vi khuẩn tuy có kích thớc nhỏ bé nhất trong sinh giới nhng năng
lợng hấp thu và chuyển hóa của chúng có thể vợt xa các sinh vật bậc cao.
Chẳng hạn nh vi khuẩn Lactic trong 1 giờ có thể phân giải một lợng đờng
Lactozơ nặng hơn 1000 - 10000 lần khối lợng của chúng. Nếu tính số
l

O
2

mà mỗi mg chất khô của cơ thể vi khuẩn tiêu hao trong một giờ thì ở mô lá
hoặc mô rễ thực vật là 0.5 - 4, ở tổ chức gan và thận động vật là 10 - 20, ở vi
khuẩn thuộc chi Pseudomonas là 1200, ở vi khuẩn thuộc chi Azotobacter là
2000. Năng lực chuyển hóa sinh hóa mạnh mẽ của vi sinh vật dẫn đến những
tác dụng lớn lao của chúng trong thiên nhiên cũng nh trong các hoạt động
sống của con ngời.
1.2.3. Sinh trởng nhanh, phát triển mạnh
So với các sinh vật khác thì vi sinh vật nói chung và vi khuẩn nói riêng
có tốc độ sinh trởng và sinh sôi nảy nở cực lớn. Chẳng hạn nh vi khuẩn
Escherichia coli trong các điều kiện thích hợp thì cứ khoảng 12 - 20 phút lại
phân chia một lần. Nếu lấy thời gian thế hệ là 20 phút thì mỗi giờ phân chia 3
lần, 24 giờ phân chia 72 lần, từ một tế bào ban đầu sẽ sinh ra 5
ì
10
21

tế bào
tơng đơng với khoảng 4722 tấn. Tuy nhiên trong thực tế không thể tạo ra
đợc các điều kiện sinh trởng lý tởng nh vậy đợc cho nên số lợng vi
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
6
khuẩn thu đợc trong 1ml dịch nuôi cấy thờng chỉ đạt tới mức độ 10
8
- 10
9
tế
bào.
1.2.4. Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị
Năng lực thích ứng của vi khuẩn vợt rất xa so với động vật và thực vật.
Trong quá trình tiến hóa lâu dài vi khuẩn đã tạo cho mình những cơ chế điều
hòa trao đổi chất để thích ứng đợc những điều kiện sống rất bất lợi. Sự thích
ứng của vi khuẩn nhiều khi vợt xa trí tởng tợng của con ngời. Phần lớn vi
khuẩn có thể giữ nguyên sức sống ở nhiệt độ của nitơ lỏng (-196
0
C), thậm chí
ở nhiệt độ của hidrô lỏng (-253
0
C), một số vi khuẩn có thể sinh trởng ở nhiệt
độ 250
0
C, thậm chí 300
0
C. Một số vi khuẩn có thể thích nghi với nồng độ 32%
NaCl. Vi khuẩn Thiobaccillus thioxidans có thể sinh trởng ở pH = 0.5 trong

khi vi khuẩn Thiobacillus denitrificans lại thích hợp với điều kiện phát triển ở
pH = 10,7. Vi khuẩn Micrococus radidurans có thể chịu đợc cờng độ bức xạ
tới 750.000 rad.
Vi khuẩn rất dễ phát sinh biến dị bởi vì thờng là đơn bào, đơn bội, sinh
sản nhanh, số lợng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trờng sống. Tần số biến
dị thờng là 10
- 5
- 10
-10
.
1.2.5. Phân bố rộng, chủng loại nhiều
Vi khuẩn phân bố ở khắp mọi nơi trên Trái Đất. Chúng có mặt trên cơ
thể ngời, động vật, thực vật, trong đất, trong nớc, trong không khí, trên mọi
đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi cho đến núi cao, từ nớc ngầm cho đến nớc
biển...
Trong đờng ruột của ngời số lợng vi khuẩn Bacteroides fragilis cao
nhất chúng đạt tới số lợng 10
10
- 10
11
/g phân, gấp 100 - 1000 lần số lợng vi
khuẩn Escherichia coli.
ở độ sâu 10000m của Đông Thái Bình Dơng nơi hoàn toàn tối tăm,
lạnh lẽo và có áp suất rất cao ngời ta phát hiện thấy có khoảng 1 triệu đến 10
tỉ vi khuẩn/ml chủ yếu là vi khuẩn lu huỳnh.
1.3. Điều kiện sinh sống của vi khuẩn
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
7

Điều kiện sinh sống của vi khuẩn ở đây là các chất dinh dỡng và nguồn
thức ăn của chúng.
1.3.1. Thành phần tế bào và các chất dinh dỡng của vi khuẩn
Các chất dinh dỡng đối với vi khuẩn là bất kỳ chất nào đợc vi khuẩn
hấp thụ từ môi trờng xung quanh và đợc chúng sử dụng làm nguyên liệu để
cung cấp cho các quá trình tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để
cung cấp cho quá trình trao đổi năng lợng.
Quá trình hấp thụ các chất dinh dỡng để thỏa mãn mọi nhu cầu sinh
trởng và phát triển của vi khuẩn.
Không phải mọi thành phần của môi trờng nuôi cấy vi khuẩn đều đợc
coi là chất dinh dỡng. Một số chất rắn cần thiết cho vi khuẩn nhng chỉ làm
nhiệm vụ bảo đảm các điều kiện thích hợp về thế oxy hóa - khử, về pH, về áp
suất thẩm thấu, về cân bằng ion... Chất dinh dỡng phải là những hợp chất có
tham gia vào các quá trình trao đổi chất nội bào.
Thành phần hóa học của tế bào vi khuẩn quyết định nhu cầu dinh dỡng
của chúng. Thành phần hóa học cấu tạo bởi các nguyên tố C, H, O, N, các
nguyên tố khoáng đa lợng và các nguyên tố khoáng vi lợng. Chỉ riêng các
nguyên tố C, H, O, N, P, S, K, Na đã chiếm đến 98% khối lợng khô của tế
bào vi khuẩn E.coli.
Lợng chứa các nguyên tố ở các vi khuẩn khác nhau là không giống
nhau. ở các điều kiện nuôi cấy khác nhau, các giai đoạn khác nhau, lợng chứa
các nguyên tố cùng loài vi khuẩn cũng không giống nhau. Trong tế bào vi khuẩn
các hợp chất đợc chia thành: nớc và các muối khoáng, các chất hữu cơ.
+ Nớc và muối khoáng
Nớc chiếm đến 70 - 90% khối lợng cơ thể của vi khuẩn. Tất cả các
phản ứng xảy ra trong tế bào của vi khuẩn đều đòi hỏi có sự tồn tại của n
ớc.
Yêu cầu của vi khuẩn đối với nớc đợc biểu thị một cách định lợng
bằng độ hoạt động của nớc (ký hiệu là a
w

) trong môi trờng. Độ hoạt động
của nớc còn đợc gọi là thế năng của nớc (ký hiệu là p
w
):
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
8
0
p
p
a
w
=

Trong đó p là áp lực hơi của dung dịch, p
0
là áp lực hơi nớc. Chẳng
hạn nh nớc nguyên chất có a
w
= 1, nớc biển có a
w
= 0.980, máu ngời
có a
w
= 0.995.
Phần nớc có thể tham gia vào các quá trình trao đổi chất của vi khuẩn
đợc gọi là nớc tự do. Đa phần nớc trong tế bào vi khuẩn tồn tại ở dạng nớc
tự do. Nớc kết hợp là phần nớc liên kết với các hợp chất hữu cơ cao phân tử
trong tế bào (protein, lipit, hidrat cacbon...). Nớc liên kết mất khả năng hòa

tan và lu động.
Muối khoáng chiếm khoảng 2 - 5% khối lợng khô của tế bào. Chúng
thờng tồn tại dới dạng các muối sunphat, photphat, cacbonat, clorua... Trong
tế bào chúng thờng ở dạng các ion. Dạng cation chẳng hạn nh Mg
2+
, Ca
2+
,
K
+
, Na
+
... Dạng anion chẳng hạn nh HPO
4
2-
, SO
4
2-
, HCO
3
-
, Cl
-
... Các ion trong
tế bào vi khuẩn luôn tồn tại ở những tỉ lệ nhất định nhằm duy trì độ pH và lực
thẩm thấu thích hợp cho từng loại vi khuẩn.
+ Chất hữu cơ
Chất hữu cơ trong tế bào vi khuẩn chủ yếu cấu tạo bởi các nguyên tố C,
H, O, N, P, S... Riêng 4 nguyên tố C, H, O, N đã chiếm tới 90 - 97% toàn bộ
chất khô của tế bào. Đó là các nguyên tố chủ chốt để cấu tạo nên protein, axit

nucleic, lipit, hidrat cacbon. Trong tế bào vi khuẩn các hợp chất đại phân tử
thờng chiếm tới 96% khối lợng khô, các chất đơn phân tử chỉ chiếm có 3.5%
còn các ion vô cơ chỉ chiếm có 1%.
Dới đây là bảng tổng kết thành phần hóa học của một tế bào vi khuẩn
do nhà khoa học F.C.Neidhardt tổng kết năm 1987.


Bảng 1.1
Phân tử % Khối lợng Số phân tử/ tế bào Số loại phân tử
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
9
khô (1)
Nớc - 1
Tổng số các đại phân tử 96 24.609.802 khoảng 2500
Protein 55 2.350.000 khoảng 1850
Polisaccarit 5 4.300 2 (2)
Lipit 9.1 22.000.000 4 (3)
AND 3.1 2.1 1
ARN 20.5 255.500 khoảng 660
Tổng số các đơn phân tử 3.5 khoảng 350
Axit amin và tiền thể 0.5 khoảng 100
Đờng và tiền thể 2 khoảng 50
Nucleotit và tiền thể 0.5 khoảng 200
Các ion vô vơ 1 18
Tổng cộng 100

Trong đó: (1) là khối lợng khô của 1 tế bào vi khuẩn E.coli đang
sinh trởng mạnh là

13
108.2

ì
g; (2) là Pepidoglican và glicogen; (3) là 4
loại photpholipit, mỗi loại có nhiều nhóm khác nhau phụ thuộc vào thành
phần axit béo.
1.3.2. Nguồn thức ăn cacbon của vi khuẩn
Đối với vi khuẩn nguồn cacbon đợc cung cấp có thể là chất vô cơ (CO
2
,
NaHCO
3
, CaCO
3
...) hoặc chất hữu cơ. Giá trị dinh dỡng và khả năng hấp thụ
các nguồn thức ăn cacbon khác nhau phụ thuộc vào 2 yếu tố: một là thành
phần hóa học và tính chất sinh lí của nguồn thức ăn này, hai là đặc điểm sinh lí
của từng loại vi khuẩn.
Ngời ta thờng sử dụng đờng để làm thức ăn cacbon khi nuôi cấy
phần lớn các vi khuẩn dị dỡng. Cần chú ý đờng đơn ở nhiệt độ cao có thể bị
chuyển hóa thành loại hợp chất có màu tối gọi là đờng cháy rất khó hấp thụ.
Trong môi trờng kiềm sau khi khử trùng đờng còn dễ bị axit hóa và làm biến
đổi pH môi trờng. Để tránh các hiện tợng này khi khử trùng môi trờng
chứa đờng ngời ta thờng chỉ hấp ở áp lực 0.5 atm (112.5
0
C) và duy trì trong
30 phút. Với các loại đờng đơn tốt nhất là nên sử dụng phơng pháp hấp gián
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
10
đoạn hoặc lọc riêng dung dịch đờng (thờng dùng nồng độ 20%) bằng nến
lọc hoặc màng lọc vi khuẩn sau đó mới dùng thao tác vô trùng để bổ sung vào
các môi trờng đã khử trùng.
Khi chế tạo các môi trờng chứa tinh bột trớc hết phải hồ hóa tinh bột
ở nhiệt độ 60 - 70
0
C sau đó đun sôi rồi mới đa đi khử trùng ở nồi hấp áp lực
Xenlulozơ đợc đa vào các môi trờng nuôi cấy, vi khuẩn phân giải
Xenlulozơ dới dạng giấy lọc, bông hoặc các loại bột Xenlulozơ.
Khi sử dụng lipit, parafin, dầu mỏ... Để làm nguồn cacbon nuôi cấy một
số loại vi khuẩn phải thông khí mạnh để cho từng giọt nhỏ có thể tiếp xúc đợc
với thành tế bào từng vi khuẩn.
Để nuôi cấy các loại vi khuẩn ngời ta thờng dùng nồng độ đờng là
0.5 - 0.2%. Hầu hết các vi khuẩn chỉ đồng hóa đợc các loại đờng ở dạng
đồng phân D.
Các chất hữu cơ chứa cả C và N (pepton, nớc thịt, nớc chiết ngô, nớc
chiết đại mạch, nớc chiết giá đậu... ) có thể sử dụng vừa làm nguồn C vừa làm
nguồn N đối với vi khuẩn.
Phạm vi đồng hóa các nguồn thức ăn cacbon của từng loài vi khuẩn cụ
thể rất khác nhau: có thực nghiệm cho thấy loài vi khuẩn Pseudomonas cepacia
có thể đồng hóa trên 90 loại nguồn thức ăn cacbon khác nhau, trong khi đó các
vi khuẩn sinh metan chỉ có thể đồng hóa đợc CO
2
và vài loại hợp chất chứa
1C hoặc 2C.
Với vi khuẩn dị dỡng nguồn thức ăn cacbon làm cả hai chức năng:
nguồn dinh dỡng và nguồn năng lợng. Nhất là các vi khuẩn gây bệnh sống
trong máu, trong các tổ chức hoặc trong ruột của ngời và động vật muốn sinh

trởng đợc ngoài nguồn cacbon hữu cơ còn cần phải đợc cung cấp một
lợng nhỏ CO
2
thì mới phát triển đợc.

1.3.3. Nguồn thức ăn nitơ của vi khuẩn
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
11
Nguồn nitơ dễ hấp thụ nhất đối với vi khuẩn là NH
3
và NH
+
4
. Nhiều khi
để nuôi cấy vi khuẩn bằng nguồn nitơ là Urê ngời ta phải bổ sung thêm muối
amon (nh amon sunphat chẳng hạn). Sở dĩ nh vậy là bởi vì có thức ăn nitơ dễ
hấp thụ cho vi khuẩn phát triển đã thì mới có thể sản sinh ra đợc Ureaza để
thủy phân Urê.
Cũng có loại vi khuẩn sở dĩ không phát triển đợc trên môi trờng chỉ
có nguồn thức ăn nitơ là muối amon không phải là không đồng hóa đợc muối
này mà là do chúng đòi hỏi phải đợc cung cấp thêm một vài loại axit amin
không thay thế nào đó.
Vi khuẩn có khả năng đồng hóa rất tốt nitơ chứa trong các thức ăn hữu
cơ. Các thức ăn này sẽ vừa là nguồn cacbon vừa là nguồn nitơ cung cấp cho vi
khuẩn.
Nguồn nitơ hữu cơ thờng đợc sử dụng để nuôi cấy vi khuẩn là Pepton
loại chế phẩm thủy phân không triệt để của một nguồn protein nào đấy.
Đối với đa số vi khuẩn ngời ta thờng nuôi cấy có những thành phần

sau: pepton (5g), cao thịt (3g), NaCl (8g), nớc cất (1000ml). Nếu làm môi
trờng đặc thì bổ sung thêm 15 - 20g thạch.
1.3.4. Nguồn thức ăn khoáng của vi khuẩn
Khi sử dụng các môi trờng thiên nhiên để nuôi cấy vi khuẩn ngời ta
thờng không cần thiết bổ sung các nguyên tố khoáng. Trong nguyên liệu
dùng làm các môi trờng này (khoai tây, nớc thịt, sữa, huyết thanh, pepton,
giá đậu...) thờng có chứa đủ các nguyên tố khoáng cần thiết đối với vi khuẩn.
Ngợc lại khi làm các môi trờng tổng hợp (dùng nguyên liệu hóa chất) bắt
buộc phải bổ sung đủ các nguyên tố khoáng cần thiết. Những nguyên tố mà vi
khuẩn đòi hỏi phải đợc cung cấp với liều lợng lớn gọi là các nguyên tố đa
lợng. Còn các nguyên tố khoáng mà vi khuẩn chỉ đòi hỏi với những liều
lợng rất nhỏ gọi là các nguyên tố vi lợng.
Nồng độ cần thiết của từng nguyên tố vi lợng trong môi trờng thờng
chỉ vào khoảng 10
-6
- 10
-8
M. Hàm lợng các chất khoáng chứa trong nguyên
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
12
sinh chất vi khuẩn thờng thay đổi tùy loại, tùy giai đoạn phát triển và tùy điều
kiện nuôi cấy. Thành phần khoáng của tế bào vi khuẩn khác nhau thờng là
chênh lệch nhau rất nhiều. Chẳng hạn nh theo nghiên cứu của Mesrobiana và
Peunesko năm 1963 cho biết thành phần khoáng ở một số vi khuẩn gây bệnh là
(% chất khoáng):
P
2
O

5
4.93-74. 8 Na
2
O 0.2-28.08
K
2
O 2.4-39.8 Cl 0.03-43.69
SO
3
0.5-28.8 MgO 0.12-12.0
CaO 0.3-14.0
1.4. Tác động của môi trờng đối với điều kiện phát triển của vi khuẩn
Sinh trởng, phát triển và trao đổi chất của vi khuẩn liên quan chặt chẽ
với các điều kiện của môi trờng. Các điều kiện này bao gồm hàng loạt các
yếu tố khác nhau, tác động qua lại với nhau. Đa số các yếu tố đó đều có một
đặc tính tác dụng chung biểu hiện ở ba điểm hoạt động: cực tiểu, tối thích và
cực đại.

Hình 1.4a. Đồ thị biểu diễn tác dụng của môi trờng lên vi khuẩn
Với tác dụng tối thiểu của yếu tố môi trờng vi khuẩn bắt đầu sinh
trởng và mở đầu các quá trình trao đổi chất, với tác dụng tối thích vi khuẩn
sinh trởng, với tốc độ cực đại và biểu hiện hoạt tính trao đổi chất, trao đổi
năng lợng lớn nhất, với tác dụng cực đại vi khuẩn ngừng sinh trởng và
thờng bị chết.
Tác động của môi trờng lên vi khuẩn có thể là thuận lợi hoặc bất lợi.
Tác động bất lợi sẽ dẫn đến tác dụng ức khuẩn hoặc diệt khuẩn. Do tác dụng
Tối thích
Cực đại
Cực tiểu
Cờng độ tác dụng của môi trờng

Cờng độ hoạt động sống
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
13
ức khuẩn của yếu tố môi trờng, tế bào ngừng phân chia, nếu loại bỏ yếu tố
này khỏi môi trờng vi khuẩn lại tiếp tục sinh trởng và phát triển. Khi có
mặt chất diệt khuẩn, vi khuẩn ngừng sinh trởng, phát triển và chết nhanh
chóng. Sự chết của tế bào thờng không xảy ra ngay một lúc trong quần thể
mà diễn ra dần dần, có thể biểu diễn bằng đờng cong tử vong logarit dới
đây (Hình 1.4b, 1.4c).

Hình 1.4b Hình 1.4c

Tác dụng ức khuẩn và diệt Tốc độ chết của vi khuẩn tùy theo

khuẩn của yếu tố môi trờng thời gian tác dụng của diệt khuẩn
Một số yếu tố, chủ yếu là các hóa chất, có thể tác dụng ức khuẩn hoặc
diệt khuẩn tùy theo nồng độ.
Tác dụng kháng khuẩn của các yếu tố môi trờng chịu ảnh hởng của
một số điều kiện nh tính chất và cờng độ tác dụng của bản thân yếu tố,
đặc tính của vi khuẩn và tính chất của môi trờng.
1.4.1. Cơ chế tác dụng của các yếu tố môi trờng lên vi khuẩn
Các yếu tố môi trờng bên ngoài tác dụng lên tế bào thuộc ba loại: Yếu tố vật
lý (độ ẩm, nhiệt độ, tia bức xạ...), yếu tố hóa học (pH môi trờng, thể oxi hóa khử,
các chất diệt khuẩn) và các yếu tố sinh học (chất kháng sinh). Dù là yếu tố nào
nhng khi tác dụng bất lợi lên tế bào thì thờng gây tổn hại đến các cấu trúc quan
Sinh trởng
bình thờng
ức khuẩn

Diệt khuẩn
Thời gian tác dụng của yếu tố
Lo
gN
0
510
15 20
50
10
0
80%
80%
80%
Vi khuẩn sống sót (%)
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
14
trọng cho sự sống của tế bào. Những tổn hại đó dẫn đến phá hủy chức phận hoạt
động của các cấu trúc và làm tế bào chết. Chừng nào tế bào có thể sống sót chính là
do chúng đã thích ứng với yếu tố đã cho bằng những thay đổi về sinh lý hoặc di
truyền.
Những tác dụng có hại của các yếu tố bên ngoài tế bào vi khuẩn thể hiện ở
những biến đổi sau:
+ Phá hủy thành tế bào.
+ Biến đổi tính thấm của màng tế bào chất: một số chất không nhất thiết phải
xâm nhập tế bào. Nhng vẫn gây tác dụng kháng khuẩn.
+ Thay đổi đặc tính keo của nguyên sinh chất: các yếu tố vật lý hay hóa học
đều có thể gây nên tác dụng này.
+ Kìm hãm hoạt tính.

+ Hủy hoại các quá trình tổng hợp.
1.4.2. Tác động của các yếu tố vật lý
+ Độ ẩm: hầu hết các quá trình sống của vi khuẩn có liên quan đến nớc do
đó độ ẩm là yếu tố quan trọng của môi trờng. Đa số vi khuẩn thuộc các sinh vật a
nớc nghĩa là chúng cần nớc ở dạng tự do, dễ hấp thụ.
+ Nhiệt độ: hoạt động trao đổi chất của vi khuẩn có thể coi là kết quả của các
phản ứng hóa học. Vì các phản ứng này phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ nên yếu tố
nhiệt độ rõ ràng ảnh hởng sâu sắc đến các quá trình sống của tế bào. Tế bào thu
đợc nhiệt chủ yếu từ môi trờng bên ngoài, một phần cũng do cơ thể thải ra do kết
quả của hoạt động trao đổi chất.
Hoạt động của vi khuẩn bị giới hạn trong môi trờng chứa nớc ở dạng có thể
hấp thụ. Vùng này của nớc nằm ở 2
0
đến khoảng 100
0
gọi là vùng sinh động học.
Hầu hết tế bào sinh dỡng của vi khuẩn chết ở nhiệt độ cao do protein
bị biến tính. Vi khuẩn chết ở nhiệt độ cao cũng có thể còn là hậu quả của
không hoạt hóa ARN và sự phá hoại màng tế bào chất.
ở nhiệt độ thấp có thể làm ngừng quá trình vận chuyển các chất hòa tan
qua màng tế bào chất do thay đổi hình không gian của một số permeaza chứa
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
15
trong màng hoặc ảnh hởng đến việc hình thành và tiêu thụ ATP cần cho quá
trình vận chuyển chủ động các chất dinh dỡng.
Vi khuẩn thờng chịu đựng đợc nhiệt độ thấp. ở nhiệt độ dới điểm
băng hoặc thấp hơn chúng không thể thực hiện hoạt động trao đổi chất rõ rệt.
Nhiệt độ thấp có thể coi là yếu tố ức khuẩn nếu làm lạnh khá nhanh. Trong

trờng hợp làm lạnh dần dần xuống dới điểm băng cấu trúc của tế bào bị tổn
hại do các tinh thể băng đợc tạo thành nhng kích thớc nhỏ, do đó tế bào
không bị phá hủy.
Giới hạn giữa nhiệt độ cực tiểu và nhiệt độ cực đại là vùng nhiệt sinh
trởng của vi khuẩn. Giới hạn này rất khác nhau giữa các loại vi khuẩn, tơng
đối rộng ở các vi khuẩn hoại sinh, nhng rất hẹp ở các vi khuẩn gây bệnh. Tùy
theo quan hệ với vùng nhiệt có thể chia vi khuẩn thành một số nhóm sau:
- Vi khuẩn a lạnh (Psychrophilic) sinh trởng tốt nhất ở nhiệt độ dới
20
0
C, thờng gặp trong nớc biển, các hố sâu và suối nớc lạnh, chẳng hạn vi
khuẩn phát quang, vi khuẩn sắc. Hoạt tính trao đổi chất ở các vi khuẩn này
thấp. Trong điều kiện phòng thí nghiệm nhiều vi khuẩn a lạnh dễ dàng thích
ứng với nhiệt độ cao hơn.
- Vi khuẩn a ấm (Mesophilic) chiếm đa số, cần nhiệt độ trong khoảng
20
0
C 40
0
C. Ngoài các dạng hoại sinh ta còn gặp các loài kí sinh, gây bệnh
cho ngời và động vật, chúng sinh trởng tốt nhất ở 37
0
C ứng với nhiệt độ của
cơ thể ngời và động vật.
- Vi khuẩn a nóng (Thermophilic) sinh trởng tốt nhất ở 55
0
C. Một số
không sinh trởng ở nhiệt độ dới +30
0
C. Nhiệt độ sinh trởng cực đại của các

vi khuẩn a nóng dao động giữa +75
0
C và +80
0
C.
Các loài Bacillus sống trong đất thờng có nhiệt độ sinh trởng khá rộng
(15 - 40
0
C). Vi khuẩn E.coli có nhiệt độ sinh trởng 10 - 47.5
0
C. Vi khuẩn gây
bệnh lậu (Neisseria gonorrhoeae) phát triển ở nhiệt độ 30 - 40
0
C. Vi khuẩn
Methylococus capsulatus sinh trởng thích hợp ở 37
0
C cũng còn có thể sinh
trởng ở nhiệt độ 55
0
C.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
16
áp lực, áp suất thẩm thấu và áp suất thủy tĩnh có thể ảnh hởng đến cấu
trúc của tế bào vi khuẩn.
+ Âm thanh: sóng âm thanh, đặc biệt trong vùng siêu âm (trên 20KHz),
có ảnh hởng lớn đến sinh trởng của vi khuẩn. Các tế bào sinh dỡng bị chết
nhanh tróng. Tế bào con mẫn cảm hơn nhiều so với tế bào già.
+ Sức căng bề mặt: khi sinh trởng trong môi trờng dịch thể vi khuẩn

chịu ảnh hởng của sức căng bề mặt của môi trờng. Những thay đổi của sức
căng bề mặt có thể là ngừng sinh trởng và tế bào có thể bị chết.
+ Các tia bức xạ: ánh sáng có thể gây ra những biến đổi hóa học. Do đó,
những tổn thơng sinh học nếu đợc tế bào hấp thụ thì mức độ gây hại tùy
thuộc vào mức năng lợng trong lợng tử ánh sáng đợc hấp thụ và mức năng
lợng trong lợng tử lại phụ thuộc gián tiếp vào chiều dài sóng của tia chiếu.
Các lợng tử bức xạ gây lên những biến đổi hóa học của các phân tử và nguyên
tử có chiều dài sóng khoảng 10000 A
0
.
1.4.3. Tác động của các yếu tố hóa học
Trong số các tác động hóa học ảnh hởng đến chức phận sống của tế
bào trớc hết phải kể đến nồng độ ion hidro (pH), thế oxi hóa khử (Eh) của
môi trờng, các chất sát trùng và các chất hóa trị liệu.
+ Tác động của pH môi trờng: pH của môi trờng có ý nghĩa quyết
định đối với sinh trởng và phát triển của vi khuẩn. Các ion H
+
và OH
-
là hai
ion hoạt động lớn nhất trong tất cả các ion, những biến đổi dù nhỏ trong nồng
độ của chúng cũng có ảnh hởng mạnh mẽ. Cho nên việc xác định thích hợp
ban đầu vào việc duy trì pH cần thiết trong thời gian sinh trởng của tế bào là
rất quan trọng. Đa số vi khuẩn sinh trởng tốt nhất ở pH trung bình (7.0) nh
nhiều vi khuẩn gây bệnh (môi trờng tự nhiên là máu và bạch huyết máu của
cơ thể động vật).
+ Tác động của thế oxi hóa khử (Eh): biểu thị mức độ thoáng khí của
môi trờng.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
17
+ Các chất diệt khuẩn ( sát trùng): thờng dùng nhất là phenol và các
hợp chất của phenol, các ancohol, halogen, kim loại nặng, H
2
O
2
, các thuốc
nhuộm, xà phòng và các chất rửa tổng hợp của muối amon bậc bốn.
1.4.4. Tác động của các yếu tố sinh học
Các yếu tố sinh học tác động có hại lên quá trình sinh sống của vi khuẩn
đó là kháng thể và chất kháng sinh.
1.5. Kết luận
Nh vậy, qua quá trình nghiên cứu và tìm hiểu về quy trình nuôi cấy vi
khuẩn, các điều kiện sinh sống của vi khuẩn chúng tôi đa ra một số kết luận
sau:
+ Vi khuẩn có vai trò vô cùng to lớn đối với con ngời, động vật, thực
vật trên trái đất. Chẳng hạn nh chúng tham gia tích cực vào quá trình phân
giải các xác hữu cơ, các phế thải công nghiệp. Đặc biệt là vi khuẩn có vai trò
rất quan trọng trong ngành năng lợng đó là việc chúng đóng góp rất lớn trong
việc tạo ra dầu mỏ, than đá và khí đốt
+ Muốn cho vi khuẩn sinh trởng và phát triển đợc cần phải nuôi cấy
trong các môi trờng thích hợp, môi trờng là những chất dinh dỡng cần thiết
đợc phối hợp theo yêu cầu sinh trởng và phát triển của vi khuẩn đối với điều
kiện và hoàn cảnh sống. Ví dụ nh:
Môi trờng dịch thể hay môi trờng lỏng là môi trờng hợp thành do
sự hoà tan của các chất dinh dỡng cần thiết ở trong nớc, nh môi trờng
nớc thịt, nớc pepton, nớc gan, nớc dạ dầy, nớc các loại thân củ (nh ngô,
đậu nành, cà rốt).
Môi trờng bán cố thể là môi trờng nớc có cho thêm một ít chất

(thạch, keo) vào để làm cho môi trờng sánh lại, môi tr
ờng này dùng để theo
dõi sự di động của vi khuẩn, nó hợp với điều kiện phát triển sinh lý của vi
khuẩn.
Môi trờng cố thể hay môi trờng rắn đặc nh môi trờng khoai tây để
nuôi cấy vi khuẩn lao; môi trờng lỏng thêm thạch để tạo thành môi trờng
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
18
thạch đĩa, thạch nghiêng dùng để phân lập và xem hình thái các khuẩn lạc; môi
trờng gelatin để kiểm tra xem vi khuẩn có làm tan chảy gelatin không.
Môi trờng tự nhiên là các môi trờng mà các chất dinh dỡng có sẵn
trong thiên nhiên nh máu, huyết thạch, nớc tiểu, nớc trứng, khoai tây
hay môi trờng nhân tạo là hỗn hợp của nhiều chất dinh dỡng cần thiết cho vi
khuẩn nh nớc thịt, nớc thịt gan
+ Ngoài ra ánh sáng cũng rất cần thiết đối với một số loại vi khuẩn nhng
trong quá trình nuôi cấy nhân tạo ngời ta có thể tạo ra môi trờng thích hợp
cho vi khuẩn sinh trởng. Nhng nhiệt độ thì do điều kiện khí hậu luôn thay
đổi vì vậy khi nhiệt độ thay đổi có thể làm cho vi khuẩn chết. Do đó nhiệt độ là
rất cần quan tâm, trong nghiên cứu, chữa trị và sản xuất thì việc duy trì nhiệt
độ nhằm duy trì sự sống cho vi khuẩn là vấn đề rất quan trọng.

Nh vậy, từ những phân tích ở trên chúng tôi thấy ánh sáng, độ ẩm, môi
trờng đã đợc các nhà vi sinh vật nghiên cứu và tạo ra. Do đó trong đề tài này
chúng tôi chỉ quan tâm đến nhiệt độ.
Với những kết quả nghiên cứu và tìm hiểu về vi khuẩn, tôi tiến hành nghiên
cứu và tìm hiểu một số tủ nuôi cấy vi khuẩn đang đợc sử dụng trong thực tế,
cụ thể là đang đợng sử dụng trong bệnh viện Bạch Mai.

Chơng 2
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
19
Giới thiệu chung về tự động điều khển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi
khuẩn đang đợc sử dụng hiện nay

2.1. Nguyên lý cấu tạo chung
Hình dáng và cấu tạo bên trong của một số tủ nuôi cấy vi khuẩn hiện
nay đang đợc sử dụng đợc thể hiện trên hình 2.1 sau:

Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo của tủ nuôi cấy vi khuẩn
Trong đó:
1) Vỏ tủ: thờng làm bằng tôn sắt dày cỡ 1,5mm, ở mặt trong có sơn lớp
sơn chịu nhiệt, mặt ngoài sơn chống rỉ. Có loại làm bằng tôn thép không rỉ.
2) Lớp cách nhiệt: thờng bằng bông thuỷ tinh để cách nhiệt cho tủ với
môi trờng ngoài.
3) Cửa ngoài bằng tôn thép, xung quanh có một gioăng amiăng.
4) Cửa trong bằng kính chịu nhiệt cho phép nhìn thấy vật sấy và cách
nhiệt ra ngoài.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
20
5) Sàng ngăn cách giữa điện trở dây đốt với phần nuôi cấy bên trong,
mắt sàng có nhiều lỗ thủng để nhiệt có thể đi vào bên trong.
6) Giá đỡ: để xếp, đựng các vật sấy, thờng trong đó có khoảng hai hoặc
ba giá đỡ làm bằng thép không rỉ.
7) Gờ đỡ: dùng để đỡ các giá đỡ.
8) Dây đốt: là điện trở dây quấn hình lò xo thờng làm bằng
Ferô-Niken.
9) Chân đế.
10) Lỗ thoát ẩm: có thể khoá hoặc mở ra giúp cho tủ thoát ẩm.
11) Nhiệt kế: dùng để đo nhiệt độ trong tủ.
12) Hộp chứa đựng mạch điều khiển và các thiết bị liên quan.
13) Khoảng trống phía sau tủ dùng để đa dây chuyền tín hiệu điều
khiển vào tủ.
14) Cảm biến nhiệt độ.
15) Nắp máy có thể tháo ra sửa chữa khi tủ gặp sự cố.
16) Quạt dùng để lu thông nhiệt trong tủ.
2.2. Nguyên lý làm việc chung
Thông thờng vi khuẩn đợc nuôi cấy ở một nhiệt độ nhất định (thờng
là 37
0
C). Do đó, trong quá trình làm việc khi nhiệt độ trong tủ gần bằng nhiệt
độ đặt thì hệ thống điều khiển nhiệt độ sẽ tự động cắt để ngừng việc cấp điện
cho dây đốt cho đến khi nhiệt độ trong tủ bằng nhiệt độ đặt, do quán tính nên
dây đốt vẫn nóng lên và nhiệt độ trong tủ lớn hơn nhiệt độ đặt đến một thời
điểm nào đó nhiệt độ trong tủ lại giảm xuống thấp hơn và dao động quanh giá
trị nhiệt độ đặt. Sau đó đến một thời điểm nào đó thì nhiệt độ trong tủ lại hạ
cho đến khi thấp hơn nhiệt độ đặt thì hệ thống điều khiển nhiệt độ lại điều

khiển đóng điện cho dây đốt làm nhiệt độ tăng dần lên đến giá trị cần thiết và
quá trình tạo nhiệt lại lặp lại liên tục nh vậy trong suốt khoảng thời gian yêu
cầu của việc nuôi cấy vi khuẩn. Nh vậy, tủ ấm 37
0
C hoạt động theo một chu
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
21
trình khép kín và liên tục trong một thời gian dài mà vẫn đảm bảo đợc sự ổn
định nhiệt độ.
Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ: đợc thể hiện nh hình 2.2
dới đây:


Hình 2.2. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ
Trong đó:
U
đặt
: tín hiệu điện áp đặt
t
x
: nhiệt độ thực trong tủ
t: nhiệt độ do dây đốt tạo ra
U
đk
: tín hiệu điện áp điều khiển
Nh vậy, hệ thống điều khiển nhiệt độ ở đây là hệ thống kín và có sự hồi
tiếp tín hiệu. Sự hồi tiếp ở đây có nhiệm vụ làm giảm sai lệch (e) giữa tín hiệu
đặt (U

đặt
) với tín hiệu ra của hệ thống. Nhiệt độ thực trong tủ ấm đợc cảm
biến nhiệt độ nhận biết, qua hệ thống chuyển đổi để chuyển từ nhiệt độ thành
tín điện áp (U
đo
), sau đó so sánh với tín hiệu đặt. Nếu có sai lệch qua bộ so
sánh đa tín hiệu sai lệch vào bộ điều khiển cho ra điện áp điều khiển để điều
khiển kháng đốt. Nhiệt độ trong tủ luôn đợc cảm biến cảm nhận, nếu nhiệt độ
trong tủ cha đạt đến nhiệt độ yêu cầu thì bộ điều khiển sẽ tự động điều chỉnh
để đa nhiệt độ trong tủ bằng nhiệt độ đặt. Quá trình điều khiển nhiệt độ luôn
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
22
đợc ổn định do sai lệch giữa nhiệt độ thực và nhiệt độ đặt luôn luôn đợc hiệu
chỉnh với tốc độ nhanh nhờ bộ điều khiển.
Ưu điểm của việc điều khiển này là có khả năng cung cấp nhiệt cho tủ
một cách ổn định, liên tục và hao tổn ít năng lợng nên nó đợc ứng dụng rất
nhiều trong đời sống.
2.2.1. Buồng tạo nhiệt
Do luôn phải chịu nhiệt độ cao do kháng đốt toả ra nên yêu cầu đối với
buồng tạo nhiệt là phải chịu đợc nhiệt độ cao, có độ bền cơ học lớn, đặc tính
cách nhiệt với môi trờng bên ngoài và tính ổn định nhiệt độ cao. Đặc điểm
quan trọng nữa của buồng tạo nhiệt là không bị ăn mòn nhiều bởi môi trờng
làm việc.
2.2.2. Khối tạo nhiệt
Là điện trở dây quấn hình lò xo thờng làm bằng Ferô-Niken, là bộ
phận quan trọng của khối tạo nhiệt, nó cung cấp nhiệt cho quá trình nuôi cấy
mỗi khi có dòng điện chạy qua nó. Nhiệt lợng toả ra trên dây đốt khi có dòng
điện chạy qua đợc xác định theo biểu thức sau:

Q = RI
2
t (J)
Trong đó:
Q- nhiệt lợng toả ra từ dây đốt (J)
R- điện trở của dây đốt (

)
I- dòng điện chạy qua dây đốt (A)
t- thời gian dòng điện chạy qua dây đốt (s)
Giá trị dòng điện chạy qua dây đốt luôn đợc quyết định bởi điện áp đặt
lên dây đốt hay là phụ thuộc vào thời gian dẫn điện của phần phía điều khiển
cung cấp.
2.2.3. Mạch điều khiển
Mạch điều khiển có thể điều khiển bằng các thiết bị cơ khí, có thể điều
khiển bằng các thiết bị bán dẫn.
2.2.3.1. Mạch điều khiển bằng các thiết bị cơ khí
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
23
Những tủ sử dụng mạch điều khiển loại này tiện dụng cho ngời sử
dụng, tiết kiệm năng lợng nhng chúng sử dụng các bộ đóng cắt trên cơ sở
các tiếp điểm cơ khí nên tủ hay bị trục trặc do bị bẩn tiếp điểm. Mặt khác độ
chính xác không cao, nên loại này hiện nay hầu nh không sản xuất mà chỉ tồn
tại trong các thiết bị cũ mà hiện tại đang đợc sử dụng ở một số cơ sở Y tế,
trạm Thú y, trạm bảo vệ thực vật. Trong trờng hợp này các tủ thờng đợc
điều khiển bằng nhiệt kế công tắc hoặc là thanh dãn nở.
2.2.3.2. Mạch điều khiển bằng các thiết bị bán dẫn
Công nghệ bán dẫn đang là một trong những ngành mũi nhọn và đợc

ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điều khiển. Với những u điểm vợt trội
nh là thiết bị gọn nhẹ dễ sử dụng, do đó hầu hết các tủ nuôi cấy vi khuẩn hiện
nay đều đợc điều khiển bằng các thiết bị bán dẫn.
Hình2.3 dới đây là sơ đồ khối của khối mạch điều khiển:

Hình 2.3. Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor hay Triac
(1) Khối nguồn: có nhiệm vụ cung cấp nguồn năng lợng thích hợp cho
khối cách ly ngõ vào. Khối này thông thờng là nguồn cung cấp từ lới điện
xoay chiều 220V, tần số 50Hz.
(2) Khối cách ly: khối này bao gồm khối cách ly ngõ vào và khối cách
ly ngõ ra. Có nhiệm vụ cách ly phần điện áp nguồn với phần công suất của
mạch chỉnh lu hay mạch điều khiển công suất và không cho dòng điện chạy
ngợc lại. Đối với khối cách ly ngõ vào thông thờng là biến áp hạ áp nhằm
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
24
tạo ra điện áp tơng ứng với điện áp điều khiển, còn đối với khối cách ly ngõ
ra thờng là biến áp xung.
(3) Khối đồng bộ: có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu đồng bộ với tín hiệu điều
khiển nhằm tạo ra dạng xung thích hợp điều khiển khối công suất ở đây có thể
là Triac hay Thyristor, khối này có thể tạo đợc bằng cách đồng bộ Arccos
hoặc đồng bộ xung răng ca.
* Đồng bộ Arccos: điện áp đồng bộ
tAU
s

cos=
, vợt trớc điện áp
tAU

AK

sin=
của Thyristor (hay Triac) một góc 90
0
. Nên điện áp đa vào sẽ
cho qua bộ tích phân để đợc điện áp đồng bộ U
s
. Sau đó lấy điện áp U
s
so
sánh với điện áp điều khiển. Điện áp điều khiển (U
đk
) là điện áp một chiều, có
thể điều chỉnh biên độ điện áp theo hai chiều (dơng và âm). Do đó nếu đặt U
s

vào cổng đảo và U
đk
vào cổng không đảo của khâu so sánh thì khi U
s
=U
đk
, ta sẽ
nhận đợc một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh, khi khâu này lật
trạng thái:
dk
UtA =

cos

. Do đó
)arccos(
A
U
t
dk
=

.
Khi U
đk
= A thì
0=t

.
Khi U
đk
= 0 thì
2/

=t
.
Khi U
đk
= -A thì

=t
.
Nh vậy, khi điều chỉnh U
đk

từ trị U
đk
= +A, đến trị U
đk
= -A, ta có thể
điều chỉnh đợc góc

từ 0 đến

. Nguyên tắc điều khiển trong trờng hợp
này thể hiện trên hình 2.4 sau:


Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý tạo tín hiệu đồng bộ
Hình 2.5 dới đây là đồ thị dạng sóng điện áp.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
25

Hình 2.5. Đồ thị dạng sóng đồng bộ Cosin
Trong đó: U
ss
là điện áp điều khiển đóng mở Thyristor (hay Triac).
Phơng pháp này đợc sử dụng trong các thiết bị chỉnh lu đòi hỏi chất
lợng cao.
* Đồng bộ xung răng ca: phơng pháp đồng bộ xung răng ca là dùng
các mạch chức năng tạo ra tín hiệu điện áp có dạng sóng răng ca để so sánh
với điện áp điều khiển. Tín hiệu điện áp đồng bộ, ký hiệu U
s

, đồng bộ với điện
áp đặt trên anôt-catôt của Thyristor (Triac), thờng đặt vào đầu đảo của khâu
so sánh. Điện áp điều khiển, ký hiệu U
c
là điện áp một chiều (có thể điều chỉnh
đợc biên độ), thờng đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh. Khi đó, hiệu
điện thế đầu vào của khâu so sánh là điện áp điều khiển Thyristor (Triac):
U
đk
= U
c
- U
s.
Mỗi khi U
s
= U
c
thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận đợc sờn xuống
của điện áp đầu ra khâu so sánh, sờn xuống này thông qua đa hài một trạng
thái ổn định, tạo ra một xung điều khiển. Nh vậy, bằng cách làm biến đổi U
c

thì có thể điều chỉnh đợc thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh đợc
góc

.