Quá trình hình thành giáo trình thiết kế mạch điều khiển tự động trong quy trình nuôi cấy vi khuẩn p1 ppt

Do đó, để đáp ứng phần nào đó những nhu cầu trên cùng với sự nắm bắt được những tiến bộ của khoa học kỹ thuật đặc biệt là điện tử đã và đang được ứng dụng mạnh mẽ vào cuộc sống và sản xu

Mở đầu

1 Đặt vấn đề

Đã từ xa xưa, mặc dù chưa nhận thức được sự tồn tại của vi khuẩn, nhưng loài người cũng đã biết được khá nhiều về tác dụng do vi khuẩn gây nên Đến nay trong quá trình sản xuất và trong cuộc sống, loài người đã tích lũy được 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 thước nhỏ bé và có cấu trúc cơ thể tương đối đơn giản nhưng 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 thường 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 thường

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 người, cho gia súc, gia cầm, tôm cá, cho cây trồng, cây rừng, chúng làm hư hại hoặc biến chất lương 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 như trong chăn nuôi, trồng trọt một trong những vấn

đề lớn đó là có thể phòng chống được các bệnh truyền nhiễm và các phương pháp đề phòng dịch bệnh có thể lây nhiễm từ súc vật sang người, từ người sang người

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 được hoàn thiện nhằm nâng cao chất lượng 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

mới để có thể khống chế được chúng, sử dụng chúng vào những việc có lợi cho con người 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

được những tiến bộ của khoa học kỹ thuật đặc biệt là điện tử đã và đang được 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 được, 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 nước ta hiện nay

2 Mục đích của đề tài

Trên cơ sở những kiến thức đã học được trong nhà trường và những kiến thức thực tế tiếp thu được 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 trường đối với điều kiện phát triển của vi khuẩn

Trình bày nguyên tắc chung của mạch điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy

Giới thiệu một số sơ đồ điều khiển thực tế đang được 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 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết

- Nghiên cứu theo phương pháp ứng dụng

- Nghiên cứu theo phương pháp chuyên gia

Chương 1 Tìm hiểu đặc điểm, điều kiện sinh sống của vi khuẩn và tác động của môi trường đối

với sự phát triển của vi khuẩn

1.1 Khái niệm chung

Xung quanh ta ngoài các sinh vật lớn mà chúng ta có thể nhìn thấy được còn có vô vàn các sinh vật nhỏ bé, muốn nhìn thấy chúng phải dùng kính hiển

vi Người 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 người, động vật, thực vật, trong các sản phẩm lương thực, thực phẩm, vật liệu, hàng hóa ngay cả ở trong những nơi mà điều kiện sống tưởng chừng như hết sức phức tạp và khắc nhiệt nhất mà vẫn thấy có sự phát triển của vi khuẩn

Chẳng hạn như vi khuẩn Pseudomonas bathycetes chúng có thể sống

được dưới đáy đại dương, nơi mà có áp suất lên tới 1000 atm và nhiệt độ thường xuyên chỉ vào khoảng 30C Vi khuẩn Sulfolobus acidorcaldrius phát triển một cách bình thường trong nhiệt độ khoảng từ 85 – 900C 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 trường có độ

PH = 10 - 11 Vi khuẩn ưa mặn thuộc các chi Halobacterium, Halococcus phát triển được 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

Người ta đã làm thí nghiệm và tính toán được rằng trong 1gam đất lấy ở tầng canh tác thường 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 1m3 không khí ở phía trên chuồng gia súc thường có từ 1 - 2 triệu vi sinh vật, trên đường phố có khoảng 5000 vi sinh vật sinh sống, nhưng 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 người 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 (như

người, 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 trước đây chưa được tạo thành bởi vi khuẩn

1.2 Đặc điểm chung của vi khuẩn

1.2.1 Kích thước nhỏ bé

Mắt con người khó thấy được rõ những vật có kích thước nhỏ khoảng 1mm Vậy mà vi khuẩn thường được đo bằng micromet Chính vì vi khuẩn có kích thước nhỏ bé cho nên diện tích bề mặt của vi khuẩn hết sức lớn Chẳng hạn như số lượng cầu khuẩn chiếm thể tích 1cm3 có diện tích bề mặt là 6m2

1.2.2 Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh

Vi khuẩn tuy có kích thước nhỏ bé nhất trong sinh giới nhưng năng lượng hấp thu và chuyển hóa của chúng có thể vượt xa các sinh vật bậc cao Chẳng hạn như vi khuẩn Lactic trong 1 giờ có thể phân giải một lượng đường Lactozơ nặng hơn 1000 - 10000 lần khối lượng của chúng Nếu tính số μ l O2

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 như trong các hoạt động sống của con người

1.2.3 Sinh trưởng 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 trưởng và sinh sôi nảy nở cực lớn Chẳng hạn như 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 5ì1021 tế bào tương đương với khoảng 4722 tấn Tuy nhiên trong thực tế không thể tạo ra

được các điều kiện sinh trưởng lý tưởng như vậy được cho nên số lượng vi

khuẩn thu được trong 1ml dịch nuôi cấy thường chỉ đạt tới mức độ 108 - 109 tế bào

1.2.4 Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị

Năng lực thích ứng của vi khuẩn vượt 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 được những điều kiện sống rất bất lợi Sự thích ứng của vi khuẩn nhiều khi vượt xa trí tưởng tượng của con người Phần lớn vi khuẩn có thể giữ nguyên sức sống ở nhiệt độ của nitơ lỏng (-1960C), thậm chí

ở nhiệt độ của hidrô lỏng (-2530C), một số vi khuẩn có thể sinh trưởng ở nhiệt

độ 2500C, thậm chí 3000C Một số vi khuẩn có thể thích nghi với nồng độ 32% NaCl Vi khuẩn Thiobaccillus thioxidans có thể sinh trưởng 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 được cường độ bức xạ tới 750.000 rad

Vi khuẩn rất dễ phát sinh biến dị bởi vì thường là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống Tần số biến

dị thường 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 người, động vật, thực vật, trong đất, trong nước, trong không khí, trên mọi

đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi cho đến núi cao, từ nước ngầm cho đến nước biển

Trong đường ruột của người số lượng vi khuẩn Bacteroides fragilis cao nhất chúng đạt tới số lượng 1010 - 1011/g phân, gấp 100 - 1000 lần số lượng vi khuẩn Escherichia coli

ở độ sâu 10000m của Đông Thái Bình Dương nơi hoàn toàn tối tăm, lạnh lẽo và có áp suất rất cao người ta phát hiện thấy có khoảng 1 triệu đến 10

tỉ vi khuẩn/ml chủ yếu là vi khuẩn lưu huỳnh

1.3 Điều kiện sinh sống của vi khuẩn

Điều kiện sinh sống của vi khuẩn ở đây là các chất dinh dưỡng và nguồn

thức ăn của chúng

1.3.1 Thành phần tế bào và các chất dinh dưỡng của vi khuẩn

Các chất dinh dưỡng đối với vi khuẩn là bất kỳ chất nào được vi khuẩn hấp thụ từ môi trường xung quanh và được 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 lượng

Quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng để thỏa mãn mọi nhu cầu sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn

Không phải mọi thành phần của môi trường nuôi cấy vi khuẩn đều được coi là chất dinh dưỡng Một số chất rắn cần thiết cho vi khuẩn nhưng 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 dưỡng 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 dưỡng của chúng Thành phần hóa học cấu tạo bởi các nguyên tố C, H, O, N, các nguyên tố khoáng đa lượng và các nguyên tố khoáng vi lượng Chỉ riêng các nguyên tố C, H, O, N, P, S, K, Na đã chiếm đến 98% khối lượng khô của tế bào vi khuẩn E.coli

Lượng 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, lượng chứa các nguyên tố cùng loài vi khuẩn cũng không giống nhau Trong tế bào vi khuẩn

các hợp chất được chia thành: nước và các muối khoáng, các chất hữu cơ

+ Nước và muối khoáng

Nước chiếm đến 70 - 90% khối lượng 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 nước

Yêu cầu của vi khuẩn đối với nước được biểu thị một cách định lượng bằng độ hoạt động của nước (ký hiệu là aw) trong môi trường Độ hoạt động của nước còn được gọi là thế năng của nước (ký hiệu là pw):

p

p

a w =

Trong đó p là áp lực hơi của dung dịch, p0 là áp lực hơi nước Chẳng hạn như nước nguyên chất có aw = 1, nước biển có aw = 0.980, máu người

có aw= 0.995

Phần nước có thể tham gia vào các quá trình trao đổi chất của vi khuẩn

được gọi là nước tự do Đa phần nước trong tế bào vi khuẩn tồn tại ở dạng nước

tự do Nước kết hợp là phần nước liên kết với các hợp chất hữu cơ cao phân tử trong tế bào (protein, lipit, hidrat cacbon ) Nước liên kết mất khả năng hòa tan và lưu động

Muối khoáng chiếm khoảng 2 - 5% khối lượng khô của tế bào Chúng thường tồn tại dưới dạng các muối sunphat, photphat, cacbonat, clorua Trong

tế bào chúng thường ở dạng các ion Dạng cation chẳng hạn như Mg2+, Ca2+,

K+, Na+ Dạng anion chẳng hạn như HPO42-, SO42-, HCO3-, 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 thường chiếm tới 96% khối lượng khô, các chất đơn phân tử chỉ chiếm có 3.5% còn các ion vô cơ chỉ chiếm có 1%

Dưới 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 lượng Số phân tử/ tế bào Số loại phân tử

khô (1)

Trong đó: (1) là khối lượng khô của 1 tế bào vi khuẩn E.coli đang

sinh trưởng mạnh là 13

10 8

2 ì ư 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 được cung cấp có thể là chất vô cơ (CO2,

NaHCO3, CaCO3 ) hoặc chất hữu cơ Giá trị dinh dưỡng 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

Người ta thường sử dụng đường để làm thức ăn cacbon khi nuôi cấy

phần lớn các vi khuẩn dị dưỡng Cần chú ý đường đơn ở nhiệt độ cao có thể bị

chuyển hóa thành loại hợp chất có màu tối gọi là đường cháy rất khó hấp thụ

Trong môi trường kiềm sau khi khử trùng đường còn dễ bị axit hóa và làm biến

đổi pH môi trường Để tránh các hiện tượng này khi khử trùng môi trường

chứa đường người ta thường chỉ hấp ở áp lực 0.5 atm (112.50C) và duy trì trong

30 phút Với các loại đường đơn tốt nhất là nên sử dụng phương pháp hấp gián

đoạn hoặc lọc riêng dung dịch đường (thường 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 trường đã khử trùng

Khi chế tạo các môi trường chứa tinh bột trước hết phải hồ hóa tinh bột

ở nhiệt độ 60 - 700C sau đó đun sôi rồi mới đưa đi khử trùng ở nồi hấp áp lực Xenlulozơ được đưa vào các môi trường nuôi cấy, vi khuẩn phân giải Xenlulozơ dưới 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 được với thành tế bào từng vi khuẩn

Để nuôi cấy các loại vi khuẩn người ta thường dùng nồng độ đường là 0.5 - 0.2% Hầu hết các vi khuẩn chỉ đồng hóa được các loại đường ở dạng

đồng phân D

Các chất hữu cơ chứa cả C và N (pepton, nước thịt, nước chiết ngô, nước chiết đại mạch, nước 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 được CO2 và vài loại hợp chất chứa 1C hoặc 2C

Với vi khuẩn dị dưỡng nguồn thức ăn cacbon làm cả hai chức năng: nguồn dinh dưỡng và nguồn năng lượng Nhất là các vi khuẩn gây bệnh sống trong máu, trong các tổ chức hoặc trong ruột của người và động vật muốn sinh trưởng được ngoài nguồn cacbon hữu cơ còn cần phải được cung cấp một lượng nhỏ CO2 thì mới phát triển được

1.3.3 Nguồn thức ăn nitơ của vi khuẩn