NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG NHÂN GIỐNG NHANH (BIOREACTOR) TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG BẰNG PLC
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THANH PHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG NHÂN GIỐNG NHANH (BIOREACTOR) TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG BẰNG PLC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 4/2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THANH PHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG NHÂN GIỐNG NHANH (BIOREACTOR) TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG BẰNG PLC Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 60.52.14 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN HÙNG TS LÊ ĐÌNH ĐƠN Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 4/2009 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG NHÂN GIỐNG NHANH (BIOREACTOR) TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG BẰNG PLC NGUYỄN THANH PHƯƠNG Hội đồng chấm luận văn: Chủ tịch: PGS TS Trần Thị Thanh Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM Thư ký: TS Bùi Ngọc Hùng Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM Phản biện 1: TS Nguyễn Ngọc Phương Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Phản biện 2: TS Trần Thiên Phúc Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Uỷ viên: TS Nguyễn Văn Hùng Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH HIỆU TRƯỞNG LÝ LỊCH CÁ NHÂN Tôi tên Nguyễn Thanh Phương, sinh ngày 14 tháng 10 năm 1975 xã Tân Lập, huyện Tân Thạnh, tỉnh Long An Con Ông Nguyễn Bá Lịnh Bà Hồ Thị Thi Tốt nghiệp PTTH Trường Trung học phổ thông Tân Thạnh, huyện Tân Thạnh, tỉnh Long An năm 1994 Tốt nghiệp Đại học ngành Cơ khí Nơng Lâm hệ quy Trường Đại học Nơng Lâm thành phố Hồ Chí Minh 2001 Sau làm việc Cơng ty Tư Vấn Đầu Tư Kỹ Thuật Cơ Điện Tổng công ty Xây Dựng Cơ Điện Nông Nghiệp Thuỷ Lợi, chức vụ Cán kỹ thuật Cơng tác nghiên cứu, tính tốn thiết kế loại máy phục vụ Nơng nghiệp tham gia thực dự án đầu tư, Đề tài nghiên cứu KH&CN Tháng 09 năm 2006 đến làm việc Chi cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng, Sở Khoa học Công nghệ Tp.HCM, chức vụ Chuyên viên Tháng 10 năm 2006 theo học Cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí trường Đại học Nơng Lâm thành phố Hồ Chí Minh, khu phố 6, phường Linh Trung, quận Thủ Đức, Tp.HCM Tình trạng gia đình: Năm 2005 kết với Chị Trần Thị Đan Huyền, sinh năm 1976 Hiện có gái tên Nguyễn Hoàng Mỹ Ngân, sinh năm 2008 Địa liên lạc: Chi cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Tp.HCM Số 263 Điện Biên Phủ, Phường 7, Quận 3, Tp.HCM Điện thoại: 08 39307203; 0918 738304 Fax: 08 39307206 phuong.smq@gmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Thanh Phương LỜI CẢM TẠ Để hoàn thành luận văn Thạc sỹ tơi xin chân thành bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc đến: - Thầy TS Nguyễn Văn Hùng, Trưởng môn Cơ điện tử Thầy TS Lê Đình Đơn Trưởng Bộ mơn Cơng nghệ Sinh học, trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh tận tình giúp đỡ, hướng dẫn động viên thực luận văn - Ban Giám hiệu, Phòng sau đại học, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí Cơng nghệ, trường Đại học Nơng Lâm thành phố Hồ Chí Minh cho phép tạo điều kiện thuận lợi cho thực luận văn - Cô PGS.TS Trần Thị Thanh, Chủ nhiệm Khoa Cơ khí Cơng nghệ, Trường Đại học Nơng Lâm thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện tốt trình thực luận văn - Ban lãnh đạo Chi cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Tp.HCM tạo điều kiện cho suốt trình học cao học Tơi xin chân thành cảm ơn: - Các bạn học, bạn đồng nghiệp phối hợp q trình tơi thực luận văn - Anh Nguyễn Văn Sơn, Quản đốc xưởng Cơ điện tử - Phân Viện Cơ Điện NN&CNSTH/Bộ NN&PT hỗ trợ tơi suốt q trình chế tạo thiết bị - Anh Đào Duy Vinh, Bộ môn Cơ Điện tử, khoa Cơ khí Cơng nghệ, trường Đại học Nơng Lâm thành phố Hồ Chí Minh giúp đỡ tơi trình thiết kế, lắp đặt vận hành hệ thống điều khiển PLC - Vợ chia sẻ, gánh vác trách nhiệm gia đình động viên tơi hồn thành chương trình học Cao học - Và cuối cùng, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bậc sinh thành sinh thành, nuôi dưỡng giáo dục để tơi có ngày hơm TÓM TẮT Đề tài “Nghiên cứu hệ thống nhân giống nhanh (Bioreactor) công nghệ sinh học điều khiển tự động PLC” tiến hành Bộ môn Cơ điện tử Trại thực nghiệm Bộ môn Công nghệ sinh học, trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng năm 2008 đến tháng năm 2009 với kết tóm tắt sau: Đã tính tốn thiết kế cải tiến hệ thống nhân giống nhanh (Bioreactor), tập trung nghiên cứu phận hệ thống thiết bị tạo phản ứng (Reactor) nuôi cấy vi sinh vật dạng lỏng, kiểu chìm gọi thiết bị lên men Thiết bị lên men hoạt động ổn định nhiệt độ t = 121oC áp suất p = 2kG/cm2 Toàn thiết bị điều khiển thiết bị lên men điều khiển tự động PLC Logo Kết quy hoạch thực nghiệm mức độ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm (mật số vi khuẩn sống) yếu tố tốc độ khuấy nhiệt độ lên men xác lập phương trình hồi qui bậc 2: Y = - 8.695.180.000 + 19.594.000*n + 404.385.000*t - 55324*n2 5.446.620.*t2 + 23329*n*t Kết giải toán tối ưu tìm chế độ làm việc thích hợp với tốc độ khuấy 185 vòng/phút, nhiệt độ lên men trung bình 38oC, mật số vi khuẩn sống khoảng 703 220 000 CFU/ml Hệ thống thiết bị sử dụng để sản xuất thử nghiệm Bộ môn công nghệ sinh học, trường Đại học Nơng Lâm thành phố Hồ Chí Minh ABSTRACT Thesis for “Research the fast multiplication system (Bioreactor) in biotechnology controlled automatically by PLC” was done at the Department of Mechatronics and experimental farm for Department of Biotechnology, Nong Lam University of HCM city from april 2008 to april 2009 with summary result as below: Calculated and improved to the fast multiplication system (Bioreactor) in which focusing on researching main Deparment of system is Reactor equipment cultivation and breeding bacterium in liquip water, it is called the fermented equipment The fermented equipment operate stably at temperature 121oC at the pressure p = 2kG/cm2 All the controlled and fermented equipments are automaticly controlled by PLC Logo The result of experiment planning for the effectives levels to product quatity (some bacterium living) of the factors of stirred velocity and fermented temperature defined by the second-class recurrent equation as follow: Y = - 8.695.180.000 + 19.594.000*n + 404.385.000*t - 55324*n2 5.446.620*t2 + 23329*n*t The result of optimization found out the best suitable operational regime with the stirred velocity of 185 RPM, the fermented temperature of average 38oC, the density of bacterium living of about 703 220 000 CFU/ml The equipment system researched as been using to tested production at the Department of Biotechnology, Nong Lam University in HCM city MỤC LỤC Trang Chuẩn Y Trang i Lý lịch cá nhân ii Lời Cam đoan iii Cảm tạ iv Tóm tắt v Tóm tắt tiếng Anh vi Mục lục vii Danh sách bảng xi Danh sách hình xii Danh sách liệt kê ký hiệu xv Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Dẫn nhập 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Nội dung nghiên cứu Chương 2: TỔNG QUAN 2.1 Khái niệm lên men vi sinh vật kiểu chìm 2.2 Tổng quan nước 2.3 Tổng quan nước 12 2.4 Tổng quan hệ thống nhân giống nhanh (Bioreactor) 14 2.4.1 Đặc điểm hệ thống nhân giống nhanh 15 2.4.2 Bioreactor khuấy học 16 2.4.3 Bioreactor khuấy cách sục khí 16 2.5 Cơ sở thiết kế máy khuấy 16 2.5.1 Đại cương khuấy 16 2.5.2 Nguyên tắc cấu tạo thiết bị khuấy 17 2.5.3 Các thông số máy khuấy 20 2.5.4 Tính cơng suất khuấy 23 2.5.5 Thời gian khuấy thiết bị thành trơn 27 2.5.6 Lực tác dụng lên trục khuấy 28 2.5.7 Tính đường kính trục 30 2.5.7.1 Tính sơ 30 2.5.7.2 Tính gần 30 2.5.7.3 Tính xác trục 31 2.6 Cân nhiệt thiết bị lên men 33 2.7 Tổng quan PLC LOGO ứng dụng để điều khiển hệ thống 37 2.8 Đặc điểm vi khuẩn có ích Bacillus subtilis 38 Chương : NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Nội dung nghiên cứu 40 3.2 Phương pháp nghiên cứu 40 3.2.1 Phương pháp tiếp cận 40 3.2.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 40 3.2.2.1 Cơ sở thiết kế thiết bị lên men (máy khuấy )… 40 3.2.2.2 Cơ sở hoàn thiện thiết bị 41 3.2.2.3 Phương pháp thiết kế phần điều khiển tự động PLC 41 3.2.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 45 3.2.3.1 Phương tiện thí nghiệm 45 3.2.3.2 Cơ sở chọn yếu tố đầu vào (X) đầu (Y) 45 3.2.3.3 Phát biểu toán hộp đen 46 3.3 Thiết bị đo lường phương pháp tính 48 3.3.1 Các thiết bị đo q trình thí nghiệm 48 d = c * 2.5 e = ((b * 9.81 * 10 ^ * (txt3.Text)) / (2.3 * 0.1 * 204 * 10 ^ - b * 9.81 * 10 ^ 4)) + 0.1 * 10 ^ (-3) txt4.Text = Round(d, 3) txt5.Text = Round(e, 3) End If If opt2.Value = True Then c = (24 * a * 0.6 / (17 * pi * 1000)) ^ (1 / 3) txt3.Text = Round(c, 3) End If If txt3.Text = Round(c, 3) Then d = c * 2.5 e = ((b * 9.81 * 10 ^ * (txt3.Text)) / (2.3 * 0.1 * 450 * 10 ^ - b * 9.81 * 10 ^ 4)) + (0.1 * 10 ^ (-3)) txt4.Text = Round(d, 3) txt5.Text = Round(e, 3) End If End Sub Private Sub cmd3_Click() frm3.Hide End Sub Private Sub cmd4_Click() frm4.Show End Sub 121 Private Sub cmd5_Click() End End Sub Dim a, b, c, d, e, f, g, h, i As Single a = Val(txt1.Text) b = Val(txt2.Text) c = Val(txt3.Text) d = Val(txt4.Text) e = Val(txt5.Text) f = Val(txt6.Text) g = Val(txt7.Text) h = Val(txt8.Text) i = Val(txt9.Text) If Not IsNumeric(txt1.Text) Or Not IsNumeric(txt2.Text) Or Not IsNumeric(txt3.Text) Then MsgBox "Kiem tra so lieu", vbOKOnly + vbCritical, "Error" ElseIf txt1.Text = "" Or txt2.Text = "" Or txt3.Text = "" Then MsgBox "VUI LONG NHAP SO LIEU", vbOKOnly + vbCritical, "bao loi" Exit Sub End If d = 0.5 * a e = 0.2 * a * 0.5 f = 1.2 * 0.2 * a * 0.5 g = 45 h = 130 * (c / b) ^ (1 / 3) i = a * 2.5 122 txt4.Text = Round(d, 3) txt5.Text = Round(e, 3) txt6.Text = Round(f, 3) txt7.Text = Round(g, 3) txt8.Text = Round(h, 3) txt9.Text = Round(i, 3) txt10.Text = Round(txt4.Text, 3) txt13.Text = Round(txt5.Text, 3) txt11.Text = Round(txt6.Text, 3) txt12.Text = Round(txt8.Text, 3) End Sub Dim a, b, c, d, e As Single a = Val(txt1.Text) b = Val(txt2.Text) c = Val(txt3.Text) d = Val(txt4.Text) e = Val(txt5.Text) Const pi = 3.14 If Not IsNumeric(txt1.Text) Then MsgBox "Kiem tra so lieu", vbOKOnly + vbCritical, "Error" Exit Sub End If If txt1.Text = "" Then MsgBox "VUI LONG NHAP DU LIEU", vbOKOnly + vbCritical, "bao loi" Exit Sub End If b = (a * pi * (CDbl(frm4.txt4)) ^ 2) / (30 * * 10 ^ (-6)) 123 c = (pi ^ * a * CDbl(frm4.txt4)) / 30 d = (0.08 * * (CDbl(frm4.txt4)) ^ * (a * pi / 30) ^ 3) e = * d / (0.9 * 0.9 * 0.97) txt2.Text = Round(b, 0) txt3.Text = Round(c, 2) txt4.Text = Round(d, 3) txt5.Text = Round(e, 2) Exit Sub End Sub Tính kích thước thùng khuấy: Private Sub cmd1_Click() Dim a, b, c As Single a = Val(txt1.Text) b = Val(txt2.Text) c = Val(txt3.Text) If Not IsNumeric(txt1.Text) Or Not IsNumeric(txt2.Text) Then MsgBox "Kiểm tra lại số liệu", vbOKOnly + vbCritical, "Error" Exit Sub End If If a