Lời nói đầu Công nghệ vi sinh vật (Microbial Technology) là một bộ phận quan trọng trong Công nghệ sinh học, là một môn khoa học nghiên cứu về những hoạt động sống của vi sinh vật, nhằm khai thác chúng tốt nhất vào quy trình sản xuất ở quy mô công nghiệp. Những tiến bộ của công nghệ sinh học vi sinh vật ngày càng xâm nhập sâu trong mọi lĩnh vực hoạt động của con ngời. Với mục tiêu làm sao cho sự phát triển của công nghệ vi sinh nói riêng và công nghệ sinh học nói chung phải thực sự phục vụ cho ấm no hạnh phúc của toàn nhân loại, nghĩa là phải ngăn chặn thảm họa chiến tranh vũ khí sinh học. Điều này phù hợp với chính sách của Đảng và Nhà nớc thể hiện trong nghị quyết 18 CP ngày 1131994 của Thủ tớng chính phủ về “Phơng hớng phát triển công nghệ sinh học Việt Nam đến năm 2010”. Giáo trình “Công nghệ vi sinh vật trong sản xuất nông nghiệp và xử lý ô nhiễm môi trờng” đợc biên soạn với mục đích trang bị cho sinh viên khối Nông Lâm nghiệp nói chung, đặc biệt là sinh viên các ngành Cây trồng, Nông hoá Thổ nhỡng, Bảo vệ thực vật, Làm vờn, Thuỷ nông cải tạo đất và Môi trờng... những kiến thức cơ bản về hoạt động sống của vi sinh vật, tính đa dạng của chúng trong tự nhiên và mối quan hệ hữu cơ giữa vi sinh vật với cơ thể sống khác, nhằm cân bằng hệ sinh thái học, tạo ra nhiều của cải cho xã hội, phát triển nền nông nghiệp sinh thái sạch, bền vững và chống ô nhiễm môi trờng. Giáo trình gồm 7 chơng, đợc phân công biên soạn nh sau: Chơng 1, 2, 3 và 7 PGS. TS. Nguyễn Xuân Thành Chơng 4, 5 PGS.TS. Nguyễn Xuân Thành, TS. Phạm Văn Toản Chơng 6 TS. Lê Văn Hng, PGS.TS. Nguyễn Xuân Thành Lĩnh vực Công nghệ vi sinh vật rất rộng và rất đa dạng, ở đây mới chỉ đề cập đợc một phần của công nghệ vi sinh vật trong thâm canh cây trồng, bảo vệ thực vật và xử lý ô nhiễm môi trờng. Trong quá trình biên soạn chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận đợc nhiều ý kiến đóng góp của các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp và các độc giả để chất lợng giáo trình ngày càng cao hơn. Chúng tôi xin chân thành cám ơn. Tập thể tác giảChơng một lịch sử và triển vọng của Công nghệ sinh học và công nghệ vi sinh vật trong nông nghiệp I . Khái niệm chung 1. Thuật ngữ Công nghệ sinh học là các quá trình sản xuất ở quy mô công nghiệp có sự tham gia của các tác nhân sinh học (ở mức độ cơ thể, tế bào hoặc dới tế bào) dựa trên các thành tựu tổng hợp của nhiều bộ môn khoa học, phục vụ cho việc gia tăng của cải vật chất của xã hội và bảo vệ lợi ích của con ngời. Công nghệ sinh học là một lĩnh vực khoa học công nghệ rất rộng, có thể chia công nghệ sinh học thành các ngành sau: + Công nghệ vi sinh vật: Là ngành công nghệ nhằm khai thác tốt nhất khả năng kỳ diệu của cơ thể vi sinh vật. Nhiệm vụ của công nghệ vi sinh là tạo ra đợc điều kiện thuận lợi cho các vi sinh vật hoạt động với hiệu suất cao nhất, phục vụ cho việc làm tăng của cải vật chất của xã hội, đáp ứng nhu cầu cuộc sống của con ngời và cân bằng sinh thái môi trờng. + Công nghệ tế bào: Các tế bào động, thực vật với bộ máy di truyền đặc trng cho từng loài giống đợc tạo điều kiện phát triển trong các môi trờng xác định và an toàn. Kỹ thuật nuôi cấy mô đợc coi là là kỹ thuật chủ yếu của công nghệ tế bào. + Công nghệ gen: Là ngành công nghệ sử dụng các phơng pháp thực nghiệm ứng dụng các thành tựu của sinh học phân tử, di truyền học phân tử để tạo nên các tổ hợp tính trạng di truyền mong muốn ở một loài sinh vật. Từ đó giúp điều khiển theo định hớng tính di truyền của sinh vật. Công nghệ gen đợc coi là mũi nhọn của công nghệ sinh học, là chìa khóa để giúp mở ra những ứng dụng mới trong công nghệ vi sinh vật. 2. Nội dung và yêu cầu của môn học + Nắm đợc nguyên lý cơ bản của công nghệ vi sinh vật, về bản chất của từng loại chế phẩm vi sinh vật, quy trình công nghệ, hiệu quả tác dụng và cách sử dụng của từng loại chế phẩm dùng trong lĩnh vực nông nghiệp và xử lý phế thải nông, công nghiệp chống ô nhiễm môi trờng. + Định hớng trong nghiên cứu về các lĩnh vực của công nghệ vi sinh vật để tạo ra nhiều loại chế phẩm vi sinh vật hữu ích ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp và phục vụ đắc lực cho hoạt động sống của con ngời. + Tuyên truyền và hớng dẫn ngời dân sử dụng các loại chế phẩm vi sinh vật, nhằm tạo ra nhiều của cải vật chất và bảo vệ môi trờng sinh thái xanh sạch, phát triển nền nông nghiệp bền vững. II. Lịch sử của công nghệ sinh học và chế phẩm vi sinh vật Lịch sử phát triển của công nghệ sinh học (CNSH) đi từ sinh học mô tả đến sinh học thực nghiệm, những bớc tiến bộ của khoa học về sự sống gắn liền với sự tiến bộ của vật lý, hoá học, cơ học và cả toán học. Sự gắn bó ấy trớc hết là do việc đa vào ngành sinh học các phơng pháp nghiên cứu mới, các thiết bị, công cụ có khả năng giúp con ngời ngày càng đi những bớc sâu hơn vào thế giới vô cùng của sự sống. Các phơng pháp hóa học giúp chúng ta tìm hiểu thành phần của cơ thể và vai trò của các đại phân tử. Kính hiển vi điện tử giúp chúng ta nhìn thấy vàchụp ảnh các cấu trúc vi mô của tế bào, và gần đây còn chụp đợc cả phân tử protein đang hình thành với sự tham gia của các phân tử ARN thông tin trên ribosome. ảnh chụp chứng minh cho các giả thuyết trớc đó và đến nay về cơ bản các quá trình quan trọng nhất của sự sống nh di truyền, sinh trởng phát triển, quang hợp, hô hấp... đều đã đợc mô tả, lý giải chi tiết ở mức độ phân tử trong hầu hết các sách giáo khoa. Tất cả mọi tích luỹ về lợng sẽ dẫn đến các bớc nhảy vọt về chất. Thập niên 1980 1990 và các năm sau đó đang chứng kiến một sự kiện nhảy vọt về chất: đó là sự ra đời và bùng nổ của CNSH hay đợc gọi là Cuộc cách mạng CNSH. Trong nông nghiệp còn gọi là “ Cuộc cách mạng xanh lần thứ hai”. CNSH không phải là một môn khoa học nh toán, lý, hoá, sinh học phân tử,... mà là một phạm trù sản xuất. Bản thân Công nghệ gen không phải là CNSH, mà chỉ là một thành phần chủ chốt và là cơ sở để giúp cho sự tiến bộ nhanh chóng của CNSH. Các tác nhân dới tế bào nh enzyme cũng có thể tham gia vào quá trình CNSH, nó là một nhánh quan trọng của CNSH. Nông nghiệp và công nghiệp truyền thống không phải là CNSH, vì không sử dụng tổng hợp các thành tựu hiện đại của nhiều bộ môn khoa học, nhng CNSH có thể đóng góp rất lớn vào nông nghiệp và công nghiệp chế biến để đa hai ngành sản xuất truyền thống này vào vị trí mới. CNSH không chỉ tạo ra thêm của cải vật chất, mà còn hớng vào việc bảo vệ và tăng chất lợng cuộc sống con ngời. Lịch sử phát triển của vi sinh vật có thể chia ra 3 giai đoạn: a) Giai đoạn trớc khi phát hiện ra thế giới vi sinh vật Từ xa xa, năm 372 287 trớc Công nguyên, nhà triết học cổ Hy Lạp (theo Phrastes) trong tập “Những quan sát về cây cối” đã coi cây họ đậu nh một nguồn bồi bổ lại sức lực cho đất. Nhận xét này đã đợc những ngời cổ La Mã quan tâm vào những năm 30 trớc công nguyên. Họ đã đề nghị luân canh giữa cây hoà thảo với cây họ đậu. Trớc thế kỷ 15, tất cả những sự kiện xảy ra trong tự nhiên và trong cuộc sống con ngời đều đợc cho là do Chúa trời định sẵn hay ma quỷ ám hình. Nhng con ngời khi đó cũng đã biết áp dụng một số quy luật tất yếu của thiên nhiên vào trong cuộc sống, nh: ủ men nấu rợu, xen canh hoặc luân canh giữa cây hoà thảo với cây họ đậu... Họ không có khái niệm về bản chất của các công nghệ, mà hoàn toàn làm theo kinh nghiệm và cảm tính. Tuy nhiên, Tổ tiên của chúng ta đã rất thành thạo trong việc sử dụng các phơng pháp vi sinh vật để chế biến thực phẩm. b) Giai đoạn phát hiện ra thế giới vi sinh vật Thế kỷ 17, nhà bác học nổi tiếng ngời Hà Lan An Tôn Van Lơ Ven Húc (1632 1723) đã chế tạo đợc loại dụng cụ bằng nhiều lớp kính ghép lại với nhau có độ phóng đại 160 lần, đó là kính hiển vi nguyên thuỷ. Bằng loại dụng cụ này An Tôn Van Lơ Ven Húc đã phát hiện ra một thế giới mới đó là thế giới huyền ảo của các loài vi sinh vật. Ông không chỉ là ngời đầu tiên phát hiện ra thế giới vi sinh vật, mà còn có rất nhiều công trình khoa học cơ bản đợc ông viết trong tuyển tập “Những bí ẩn của thiên nhiên” năm 1695. Đầu thế kỷ 19, nhiều công trình khoa học ra đời trong đó phải kể đến các công trình nghiên cứu của nhà bác học nổi tiếng ngời Pháp Pasteur (1822 1895), tiếp đó là Ivanopkii (1864), Helrigell và Uyn Fac (1886), Vinagratxkii, BeyJerinh, Kôk...Những công trình nghiên cứu của họ là cơ sở cho sự phát triển của công nghệ vi sinh, nhờ đó một loạt các loại chế phẩm vi sinh vật ra đời,... Pasteur đã chỉ ra rằng vi sinh vật đóng vai trò quyết định trong quá trình lên men. Kết quả nghiên cứu của Pasteur là cơ sở cho sự phát triển của công nghiệp lên men và sản xuất dung môi hữu cơ nh: axeton (acetone), ethanol, butanol, izopropanol...c) Giai đoạn sản xuất và ứng dụng công nghệ vi sinh vật Cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20 Pasteur đã chế thành công Vaccine phòng bệnh dại (1885); năm 1886 Hellrigel và Uyn Fac đã tìm ra cơ chế của quá trình cố định nitơ phân tử; năm 1895 1900 tại Anh , Mỹ, Ba Lan và Nga bắt đầu sản xuất chế phẩm vi sinh vật cố định nitơ phân tử; năm 1907 ở Mỹ ngời ta gọi chế phẩm vi sinh vật này là những chỉ nitơ; năm 1900 1914 nhiều nớc trên thế giới triển khai sản xuất chế phẩm vi sinh vật: Canađa, Tân Tây Lan, áo. Theo Fret và cộng sự, thì trong thời gian này có 10 nhà máy xí nghiệp sản xuất chế phẩm vi sinh vật cố định nitơ phân tử, trong đó có 9 xí nghiệp ở châu âu và một xí nghiệp ở Tân Tây Lan. Từ đó nhiều công trình nghiên cứu đợc công bố. Từ năm1964 vấn đề cố định nitơ phân tử đợc coi là một trong hai vấn đề quan trọng nhất của Chơng trình sinh học quốc tế (IBP) Nhiều nhà khoa học đã ví “Mỗi nốt sần ở rễ cây họ đậu là một nhà máy sản xuất phân đạm tí hon”. Nhờ có Chơng trình trên nhiều loại chế phẩm vi sinh vật đợc ra đời, đợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực nông nghiệp nh: Chế phẩm vi sinh vật đồng hoá nitơ phân tử; Chế phẩm vi sinh vật đa chức năng; Chế phẩm vi sinh vật dùng trong bảo vệ thực vật; Vaccine phòng chống các loại bệnh cho ngời, gia súc gia cầm; Chế phẩm vi sinh vật xử lý ô nhiễm môi trờng... ở Việt Nam, nghiên cứu về chế phẩm vi sinh vật đợc tiến hành từ những năm đầu của thập kỷ 60 đến sau những năm 80 mới đợc đa vào các chơng trình khoa học cấp Nhà nớc nh: “Sinh học phục vụ nông nghiệp” giai đoạn 19821990, Chơng trình Công nghệ sinh học KC.08 giai đoạn 19911995, Chơng trình Công nghệ sinh học phục vụ phát triển nông, lâm nghiệp bền vững, bảo vệ môi trờng và sức khoẻ con ngời KHCN.02 giai đoạn 19962000 và chơng trình Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ sinh học giai đoạn sau 2001. Ngoài các chơng trình Quốc gia nhiều Bộ, Ngành cũng triển khai nhiều đề tài, dự án về vấn đề này. III. ứng dụng của công nghệ vi sinh vật 1. Trong lĩnh vực y tế Tình hình sức khoẻ của nhân loại hiện đang ở trong tình trạng đáng lo ngại. Hầu nh lúc nào cũng có khoảng 13 dân số toàn cầu ở trạng thái bất ổn. Công nghệ vi sinh đã đóng góp trong việc tìm kiếm nhiều loại dợc phẩm quan trọng, chẩn đoán và điều trị nhiều loại bệnh hiểm nghèo cho con ngời, gia súc gia cầm. + Vaccine: Trong quá trình tìm kiếm các biện pháp, thuốc phòng và trị các loại bệnh truyền nhiễm công nghệ vi sinh đã tạo ra vaccine, nhất là vaccine thế hệ mới. Vaccine thế hệ mới có những u diểm là: Rất an toàn cho ngời sử dụng vì không chế từ các vi sinh vật gây bệnh, giá thành hạ vì không nuôi cấy virus trên phôi thai gà hay các tổ chức mô động vật vốn rất phức tạp và tốn kém. Vaccine ribosome: Cấu tạo từ ribosome của từng loại vi khuẩn gây bệnh (thơng hàn, tả, dịch hạch..), u điểm của loại vaccine này là ít độc và có tính miễn dịch cao. Vaccine các mảnh của virus: Là vaccine chế tạo từ glycoprotein của vỏ virus gây bệnh nh virus cúm... Vaccine kỹ thuật gen: Là vaccine chế tạo từ vi khuẩn hay nấm men tái tổ hợp có mang gen mã hóa việc tổng hợp protein kháng nguyên của một virus hay vi khuẩn gây bệnh nào đó. + Insulin: Việc sản xuất insulin ở quy mô công nghiệp ngày càng là một thành công rực rỡ của công nghệ gen. Insulin là một protein đợc tuyến tụy tiết ra nhằm điều hòa lợng đờng trong máu. Thiếu hụt insulin trong máu sẽ làm rối loạn hầu hết quá trình trao đổi chất ở cơ thể dẫn đến tích nhiều đờng trong nớc tiểu. Để điều trị bệnh này ngời bệnh phải tiêm insulin. Loại insulin chế từ tuyến tuỵ của gia súc hay đợc tổng hợp insulin bằng con đờng hóa học. Quá trình tổng hợp rất phức tạp, rất tốn kém.Năm 1978, H. Boger đã chế insulin thông qua kỹ thuật di truyền trên vi khuẩn Escherichia coli, cụ thể ngời ta đã chuyển gen chi phối tính trạng tạo insulin của ngời sang cho Escherichia coli. Với Escherichia coli đã tái tổ hợp gen này, qua nuôi cấy trong nồi lên men có dung tích 1000 lít, sau một thời gian gắn có thể thu đợc 200 gam insulin tơng đơng với lợng insulin chiết rút từ 8.000 10.000 con bò. + Interferon: Interferon có bản chất protein, là chất giúp cho cơ thể chống lại đợc nhiều loại bệnh. Để có đợc interferon ngời ta phải tách chiết chúng từ huyết thanh của máu nên rất tốn kém. Cũng nh insulin, ngời ta chế interferon thông qua con đờng vi sinh vật. Năm 1980, Gilbert đã thành công trong việc chế interferon từ Escherichia coli, năm 1981 họ thu nhận interferon từ nấm men Saccaromyces cerevisiae cho lợng tăng gấp 10.000 lần so với ở tế bào Escherichia coli. + Kích tố sinh trởng HGH (Human growth homone) HGH đợc tuyến yên tạo nên, thông thờng muốn chế đợc HGH ngời ta phải trích từ tuyến yên tử thi, mỗi tử thi cho 4 6mg HGH, theo tính toán muốn chữa khỏi cho một ngời lùn phải cần 100 150 tử thi. Năm 1983, sự thành công của công nghệ vi sinh đã giúp con ngời chế đợc HGH từ vi sinh vật. Cứ 1 lít dịch lên men Escherichia coli thu đợc lợng HGH tơng ứng với 60 tử thi. + Chất kháng sinh Kháng sinh chế từ vi sinh vật đợc con ngời đầu t sản xuất từ lâu. Đến nay ngời ta đã tìm thấy có tới 2500 loại thuốc kháng sinh với cấu trúc phân tử đa dạng trong số đó chủ yếu có nguồn gốc từ vi sinh vật. 2. Trong lĩnh vực nông nghiệp + Cải tạo giống cây trồng: Thông qua kỹ thuật di truyền với sự hỗ trợ của vi sinh vật, con ngời đã tạo ra đợc giống cây trồng có nhiều tính u việt đó là cho năng suất cao, chất lợng nông sản tốt, sức đề kháng sâu bệnh cao ... + Sản xuất phân bón vi sinh vật: Phân bón vi sinh vật là sản phẩm chứa một hay nhiều loài vi sinh vật sống đã đợc tuyển chọn có mật độ đảm bảo các tiêu chuẩn đã ban hành có tác dụng tạo ra các chất dinh dỡng hoặc các hoạt chất sinh học có tác dụng nâng cao năng suất, chất lợng nông sản hoặc cải tạo đất. Các loại phân bón vi sinh vật có thể kể đến là phân vi sinh vật cố định nitơ đạm sinh học (Nitragin, Azotobacterin, Azospirillum), phân vi sinh vật phân giải hợp chất phospho khó tan phân lân vi sinh (Photphobacterin), chế phẩm nấm rễ, chế phẩm tảo lam... + Sản xuất phân hữu cơ sinh học, một loại sản phẩm đợc tạo thành thông qua quá trình lên men vi sinh vật các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc khác nhau (phế thải nông, lâm nghiệp, phế thải chăn nuôi, phế thải chế biến, phế thải đô thị, phế thải sinh hoạt...), trong đó các hợp chất hữu cơ phức tạp dới tác động của vi sinh vật hoặc các hoạt chất sinh học của chúng đợc chuyển hoá thành mùn. + Sản xuất thức ăn chăn nuôi: Một loạt vi sinh vật có khả năng chuyển hoá các hợp chất cacbon hữu cơ thành protein và các acid amin, vitamin. Có thể lợi dụng khả năng này của vi sinh vật để sản xuất các loại protein đậm đặc làm thức ăn chăn nuôi. Một số vi sinh vật khác có khả năng sản sinh các Probiotic có tác dụng điều hoà hệ thống vi sinh vật trong đờng tiêu hoá và ngời ta đã lợi dụng đặc tính này của vi sinh vật để sản xuất các chế phẩm probiotic làm thức ăn bổ sung trong chăn nuôi. + Sản xuất chất kích thích sinh trởng Gibberellin, Aucin từ vi sinh vật.+ Sản xuất chế phẩm vi sinh vật dùng trong bảo vệ thực vật: Bt., Biospor, Enterobacterin, Bathurin,... 2. Trong lĩnh vực công nghiệp + Sản xuất cồn làm nguồn năng lợng thay xăng dầu chạy xe các loại: Công nghệ vi sinh lên men nguyên liệu rẻ tiền nh rỉ đờng để sản xuất cồn chạy xe thay xăng dầu. Năm 1985 ở Brazil đã sản xuất 1 tỷ lít cồnnăm dùng để chạy xe hơi. + Tạo khí sinh học (Biogas): Thờng Biogas chứa khoảng 60 80% khí methane (CH4) đợc sinh ra trong quá trình lên men các phế thải hữu cơ. Nguyên lý của quá trình này là lên men yếm khí của nhóm vi sinh vật yếm khí chịu nhiệt. Trong quá trình phân huỷ chuyển hóa các hợp chất hữu cơ ngời ta thu đợc biogas, phần cặn bã còn lại làm phân bón cho cây trồng. + Bảo vệ môi trờng: Công nghệ vi sinh đã tham gia tích cực trong vấn đề xử lý phế thải công nông nghiệp, rác thải sinh hoạt, nớc thải làm sạch môi trờng bằng công nghệ vi sinh vật hảo khí, bán hảo khí và yếm khí. Đây là vấn đề nóng hổi, cấp thiết trên toàn cầu hiện nay. IV. Vấn đề CNSH để phát triển kinh tế xã hội và triển vọng của công nghệ vi sinh vật trong thế kỷ 21 1. Vấn đề CNSH để phát triển kinh tế xã hội toàn cầu Trong khoảng 50 năm sau đại chiến lần thứ 2, song song với việc hoàn thiện các quy trình CNSH truyền thống đã có từ trớc, một số hớng nghiên cứu và phát triển CNSH đã hình thành và phát triển mạnh mẽ nhờ một loạt những phát minh quan trọng trong ngành sinh học nói chung và sinh học phân tử nói riêng, đó là lần đầu tiên xác định đợc cấu trúc của protein, xây dựng mô hình cấu trúc đờng xoắn kép của phân tử ADN (watson và Krick, 1953). Một số hớng phát triển công nghệ sinh học Lĩnh vực ứng dụng Nông nghiệp Tạo chủng vi sinh vật mới để làm giống sản xuất chế phẩm vi sinh vật, áp dụng trong lĩnh vực nông nghiệp (trồng trọt, chăn nuôi, thuỷ hải sản, thuỷ nông cải tạo đất, phân bón, bảo vệ thực vật ...). Sản xuất hàng hoá Sản xuất acid hữu cơ (citric acid, itaconic acid, acetic acid...), sử dụng ezyme làm chất tẩy rửa... Năng lợng Gia tăng phạm vi sử dụng biogas, xây dựng các dự án sản xuất ethanol dùng làm nhiên liệu. Kiểm soát môi trờng Hoàn thiện các phơng pháp kiểm soát và dự đoán tình trạng môi trờng. Tuyển chọn chủng vi sinh vật để xử lý phế thải (rắn + lỏng) làm sạch môi trờng. Công nghiệp thực phẩm Xây dựng và hoàn thiện các phơng pháp chế biến và bảo quản lơng thực, thực phẩm mới. Sản xuất chất bổ sung vào thực phẩm, sử dụng protein đơn bào và enzyme trong công nghệ chế biến thực phẩm. Vật liệu Hoàn thiện quy trình tuyển khoáng, tuyển chọn chủng vi sinh vật có khả năng khai thác kim loại, đá quý hiếm và hoàn thiện các phơng pháp kiểm soát quá trình phá huỷ sinh học. Y tế Dùng enzyme tạo các bộ cảm biến sinh học trong các thiết bị phân tích y tế. Sử dụng enzyme và tế bào vi sinh vật trong sản xuất các loại thuốc. Sử dụng enzyme và một số chủng vi sinh vật để chẩn đoán và chữa trị bệnh.2. Triển vọng của CNSH và công nghệ vi sinh vật trong thế kỷ 21 Hàng năm thế giới sản xuất khoảng 150.000 tấn glutamateNa làm bột ngọt và 15.000 tấn lysine làm chất bổ sung vào thực phẩm và thức ăn gia súc với tổng trị giá chừng 1,5 tỷ USD, chủ yếu đợc sản xuất tại Nhật Bản. Ngời ta sử dụng khả năng biến đổi sinh khối thực vật có hàm lợng protein cao của vi sinh vật để sản xuất SPC (Single Protein Cell) Protein đơn. ở Đức đã hoạt động quy trình công nghệ nuôi nấm men Saccharomyces cerevisiae, Candida arborea và Candida utilis để sản xuất thực phẩm giàu protein cho ngời. Nhiều công ty dầu khí và hoá chất đã tiến hành áp dụng quy trình công nghệ sản xuất SPC từ dầu mỏ, khí methane, rợu methanol và tinh bột. ở Anh, hãng ICI sử dụng Methylophilus methylotrophus trên môi trờng methanol sản xuất đợc khoảng 70.000 tấnnăm. SPC có tên thơng phẩm là Pruteen. ở Liên Xô cũ, hàng năm từ nguồn nguyên liệu carbohydrate và phế liệu nông nghiệp đã sản xuất hơn 1 tỷ tấn SPC dùng trong chăn nuôi. Trong tơng lai, hớng nghiên cứu sử dụng AND tái tổ hợp làm gia tăng khả năng đồng hoá đạm của vi sinh vật sản xuất SPC sẽ có nhiều hứa hẹn. Một số khía cạnh kinh tế của CNSH và CNVS Chỉ tính riêng ngành sản xuất bia rợu của Anh hàng năm có doanh thu khoảng 15 tỷ USD, hoặc trên thế giới hàng năm sản xuất khoảng 3 tỷ USD thuốc kháng sinh, 1,5 tỷ USD amino acid, hơn 500 triệu USD các chế phẩm. Theo đánh giá cha đủ, thì năm 2000 tổng doanh thu từ CNSH
Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học nông nghiệp I Hà Nội Nguyễn Xuân Thành - Lê Văn Hng - Phạm Văn Toản Chủ biên hiệu đính PGS.TS Nguyễn Xuân Thành Giáo trình Công nghệ vi sinh vật sản xuất nông nghiệp xử lý ô nhiễm môi trờng Nhà xuất nông nghiệp Hà Nội - 2003 Lời nói đầu Công nghệ vi sinh vật (Microbial Technology) phận quan trọng Công nghệ sinh học, môn khoa học nghiên cứu hoạt động sống vi sinh vật, nhằm khai thác chúng tốt vào quy trình sản xuất quy mô công nghiệp Những tiến công nghệ sinh học vi sinh vật ngày xâm nhập sâu lĩnh vực hoạt động ngời Với mục tiêu cho phát triển công nghệ vi sinh nói riêng công nghệ sinh häc nãi chung ph¶i thùc sù phơc vơ cho Êm no hạnh phúc toàn nhân loại, nghĩa phải ngăn chặn thảm họa chiến tranh vũ khí sinh học Điều phù hợp với sách Đảng Nhà nớc thể nghị 18 CP ngày 11/3/1994 Thủ tớng phủ Phơng hớng phát triển công nghệ sinh học Việt Nam đến năm 2010 Giáo trình Công nghệ vi sinh vật sản xuất nông nghiệp xử lý ô nhiễm môi trờng đợc biên soạn với mục đích trang bị cho sinh viên khối Nông - Lâm nghiệp nói chung, đặc biệt sinh viên ngành Cây trồng, Nông hoá - Thổ nhỡng, Bảo vệ thực vật, Làm vờn, Thuỷ nông cải tạo đất Môi trờng kiến thức hoạt động sống vi sinh vật, tính đa dạng chúng tự nhiên mối quan hệ hữu vi sinh vật với thể sống khác, nhằm cân hệ sinh thái học, tạo nhiều cải cho xà hội, phát triển nông nghiệp sinh thái sạch, bền vững chống ô nhiễm môi trờng Giáo trình gồm chơng, đợc phân công biên soạn nh sau: Chơng 1, 2, PGS TS Nguyễn Xuân Thành Chơng 4, PGS.TS Nguyễn Xuân Thành, TS Phạm Văn Toản Chơng TS Lê Văn Hng, PGS.TS Nguyễn Xuân Thành Lĩnh vực Công nghệ vi sinh vật rộng đa dạng, đề cập đợc phần công nghệ vi sinh vật thâm canh trồng, bảo vệ thực vật xử lý ô nhiễm môi trờng Trong trình biên soạn chắn không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đợc nhiều ý kiến đóng góp nhà khoa học, bạn đồng nghiệp độc giả để chất lợng giáo trình ngày cao Chúng xin chân thành cám ơn Tập thể tác giả Chơng lịch sử triển vọng Công nghệ sinh học công nghệ vi sinh vật nông nghiệp I Khái niệm chung Thuật ngữ * Công nghệ sinh học trình sản xuất quy mô công nghiệp có tham gia tác nhân sinh học (ở mức độ thể, tế bào dới tế bào) dựa thành tựu tổng hợp nhiều môn khoa học, phục vụ cho việc gia tăng cải vật chất xà hội bảo vệ lợi ích ngời Công nghệ sinh học mét lÜnh vùc khoa häc c«ng nghƯ rÊt réng, cã thể chia công nghệ sinh học thành ngành sau: + Công nghệ vi sinh vật: Là ngành công nghệ nhằm khai thác tốt khả kỳ diệu thể vi sinh vật Nhiệm vụ công nghệ vi sinh tạo đợc điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật hoạt động với hiệu suất cao nhất, phục vụ cho việc làm tăng cải vật chất xà hội, đáp ứng nhu cầu sống ngời cân sinh thái môi trờng + Công nghệ tế bào: Các tế bào động, thực vật với máy di truyền đặc trng cho loài giống đợc tạo điều kiện phát triển môi trờng xác định an toàn Kỹ thuật nuôi cấy mô đợc coi là kỹ thuật chủ yếu công nghệ tế bào + Công nghệ gen: Là ngành công nghệ sử dụng phơng pháp thực nghiệm ứng dụng thành tựu sinh học phân tử, di truyền học phân tử để tạo nên tổ hợp tính trạng di truyền mong muốn loài sinh vật Từ giúp điều khiển theo định h−íng tÝnh di trun cđa sinh vËt C«ng nghƯ gen đợc coi mũi nhọn công nghệ sinh học, chìa khóa để giúp mở ứng dụng míi c«ng nghƯ vi sinh vËt Néi dung yêu cầu môn học + Nắm đợc nguyên lý công nghệ vi sinh vật, chất loại chế phẩm vi sinh vật, quy trình công nghệ, hiệu tác dụng cách sư dơng cđa tõng lo¹i chÕ phÈm dïng lÜnh vực nông nghiệp xử lý phế thải nông, công nghiệp chống ô nhiễm môi trờng + Định hớng nghiên cứu lĩnh vực công nghệ vi sinh vật để tạo nhiều loại chế phẩm vi sinh vật hữu ích ứng dụng sản xuất nông nghiệp phục vụ đắc lực cho hoạt động sống ngời + Tuyên truyền hớng dẫn ngời dân sử dụng loại chế phẩm vi sinh vật, nhằm tạo nhiều cải vật chất bảo vệ môi trờng sinh thái xanh sạch, phát triển nông nghiệp bền vững II Lịch sử công nghệ sinh học chế phẩm vi sinh vật Lịch sử phát triển công nghệ sinh học (CNSH) từ sinh học mô tả đến sinh học thực nghiệm, b−íc tiÕn bé cđa khoa häc vỊ sù sèng g¾n liỊn víi sù tiÕn bé cđa vËt lý, ho¸ häc, học toán học Sự gắn bó trớc hết việc đa vào ngành sinh học phơng pháp nghiên cứu mới, thiết bị, công cụ có khả giúp ngời ngày bớc sâu vào giới vô sống Các phơng pháp hóa học giúp tìm hiểu thành phần thể vai trò đại phân tử Kính hiển vi điện tử giúp nhìn thấy chụp ảnh cấu trúc vi mô tế bào, gần chụp đợc phân tử protein hình thành với tham gia phân tử ARN thông tin ribosome ảnh chụp chứng minh cho giả thuyết trớc đến tr×nh quan träng nhÊt cđa sù sèng nh− di trun, sinh trởng phát triển, quang hợp, hô hấp đà đợc mô tả, lý giải chi tiết mức độ phân tử hầu hết sách giáo khoa Tất tích luỹ lợng dẫn đến bớc nhảy vọt chất Thập niên 1980 - 1990 năm sau chứng kiến kiện nhảy vọt chất: đời bùng nổ CNSH hay đợc gọi Cuộc cách mạng CNSH Trong nông nghiệp gọi Cuộc cách mạng xanh lần thứ hai CNSH môn khoa học nh toán, lý, hoá, sinh học phân tử, mà phạm trù sản xuất Bản thân Công nghệ gen CNSH, mà thành phần chủ chốt sở để giúp cho tiến nhanh chóng CNSH Các tác nhân dới tế bào nh enzyme tham gia vào trình CNSH, nhánh quan trọng CNSH Nông nghiệp công nghiệp truyền thống CNSH, không sử dụng tổng hợp thành tựu đại cđa nhiỊu bé m«n khoa häc, nh−ng CNSH cã thĨ đóng góp lớn vào nông nghiệp công nghiệp chế biến để đa hai ngành sản xuất truyền thống vào vị trí CNSH không tạo thêm cải vật chất, mà hớng vào việc bảo vệ tăng chất lợng sống ngời Lịch sử phát triển vi sinh vật chia giai đoạn: a) Giai đoạn trớc ph¸t hiƯn thÕ giíi vi sinh vËt Tõ xa xa, năm 372 - 287 trớc Công nguyên, nhà triết học cổ Hy Lạp (theo Phrastes) tập Những quan sát cối đà coi họ đậu nh nguồn bồi bổ lại sức lực cho đất Nhận xét đà đợc ngời cổ La Mà quan tâm vào năm 30 trớc công nguyên Họ đà đề nghị luân canh hoà thảo với họ đậu Trớc kỷ 15, tất kiện xảy tự nhiên sống ngời đợc cho "do Chúa trời định sẵn hay ma quỷ ám hình" Nhng ngời ®ã cịng ®· biÕt ¸p dơng mét sè quy lt tất yếu thiên nhiên vào sống, nh: ủ men nấu rợu, xen canh luân canh hoà thảo với họ đậu Họ khái niệm chất công nghệ, mà hoàn toàn làm theo kinh nghiệm cảm tính Tuy nhiên, Tổ tiên đà thành thạo việc sử dụng phơng pháp vi sinh vật để chế biến thực phẩm b) Giai đoạn phát hiƯn thÕ giíi vi sinh vËt ThÕ kû 17, nhà bác học tiếng ngời Hà Lan - An Tôn Van Lơ Ven Húc (1632 -1723) đà chế tạo đợc loại dụng cụ nhiều lớp kính ghép lại với có độ phóng đại 160 lần, kính hiển vi nguyên thuỷ Bằng loại dụng cụ An Tôn Van Lơ Ven Húc đà phát giới giới huyền ảo loài vi sinh vật Ông không ngời phát giới vi sinh vật, mà có nhiều công trình khoa học đợc ông viết tuyển tập Những bí ẩn thiên nhiên năm 1695 Đầu kỷ 19, nhiều công trình khoa học đời phải kể đến công trình nghiên cứu nhà bác häc nỉi tiÕng ng−êi Ph¸p - Pasteur (1822 - 1895), tiếp Ivanopkii (1864), Helrigell Uyn Fac (1886), Vinagratxkii, BeyJerinh, Kôk Những công trình nghiên cứu họ sở cho phát triển công nghệ vi sinh, nhờ loạt loại chế phẩm vi sinh vËt ®êi, Pasteur ®· chØ vi sinh vật đóng vai trò định trình lên men Kết nghiên cứu Pasteur sở cho phát triển công nghiệp lên men sản xuất dung môi hữu nh: axeton (acetone), ethanol, butanol, izopropanol c) Giai đoạn sản xuất ứng dụng công nghệ vi sinh vật Cuối kỷ 19 đầu kỷ 20 Pasteur đà chế thành công Vaccine phòng bệnh dại (1885); năm 1886 Hellrigel Uyn Fac đà tìm chế trình cố định nitơ phân tử; năm 1895 - 1900 Anh , Mỹ, Ba Lan Nga bắt đầu sản xuất chế phẩm vi sinh vật cố định nitơ phân tử; năm 1907 Mỹ ngời ta gọi chế phẩm vi sinh vật nitơ; năm 1900 - 1914 nhiỊu n−íc trªn thÕ giíi triĨn khai sản xuất chế phẩm vi sinh vật: Canađa, Tân Tây Lan, áo Theo Fret cộng sự, thời gian có 10 nhà máy xí nghiệp sản xuất chế phẩm vi sinh vật cố định nitơ phân tử, có xí nghiệp châu âu xí nghiệp Tân Tây Lan Từ nhiều công trình nghiên cứu đợc công bố Từ năm1964 vấn đề cố định nitơ phân tử đợc coi hai vấn đề quan trọng Chơng trình sinh học quốc tế (IBP) Nhiều nhà khoa học đà ví Mỗi nốt sần rễ họ đậu nhà máy sản xuất phân đạm tí hon Nhờ có Chơng trình nhiều loại chế phẩm vi sinh vật đợc đời, đợc áp dụng nhiều lĩnh vực nông nghiệp nh: Chế phẩm vi sinh vật đồng hoá nitơ phân tử; Chế phẩm vi sinh vật đa chức năng; Chế phẩm vi sinh vật dùng bảo vệ thực vật; Vaccine phòng chống loại bệnh cho ng−êi, gia sóc gia cÇm; ChÕ phÈm vi sinh vËt xư lý « nhiƠm m«i tr−êng ë ViƯt Nam, nghiên cứu chế phẩm vi sinh vật đợc tiến hành từ năm đầu thập kỷ 60 đến sau năm 80 đợc đa vào chơng trình khoa học cấp Nhà nớc nh: Sinh học phục vụ nông nghiệp giai đoạn 1982-1990, Chơng trình "Công nghệ sinh học" KC.08 giai đoạn 1991-1995, Chơng trình "Công nghệ sinh học phục vụ phát triển nông, lâm nghiệp bền vững, bảo vệ môi trờng sức khoẻ ngời" KHCN.02 giai đoạn 1996-2000 chơng trình "Nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ sinh học" giai đoạn sau 2001 Ngoài chơng trình Quốc gia nhiều Bộ, Ngành triển khai nhiều đề tài, dự án vấn đề III ứng dụng công nghệ vi sinh vËt Trong lÜnh vùc y tÕ T×nh h×nh sức khoẻ nhân loại tình trạng đáng lo ngại Hầu nh lúc có khoảng 1/3 dân số toàn cầu trạng thái bất ổn Công nghệ vi sinh đà đóng góp việc tìm kiếm nhiều loại dợc phẩm quan trọng, chẩn đoán điều trị nhiều loại bệnh hiểm nghèo cho ngời, gia súc gia cầm + Vaccine: Trong trình tìm kiếm biện pháp, thuốc phòng trị loại bệnh truyền nhiễm công nghệ vi sinh đà tạo vaccine, nhÊt lµ vaccine thÕ hƯ míi Vaccine thÕ hệ có u diểm là: Rất an toàn cho ngời sử dụng không chế từ vi sinh vật gây bệnh, giá thành hạ không nuôi cấy virus phôi thai gà hay tổ chức mô động vật vốn phức tạp tốn - Vaccine ribosome: CÊu t¹o tõ ribosome cđa tõng lo¹i vi khuẩn gây bệnh (thơng hàn, tả, dịch hạch ), u điểm loại vaccine độc có tính miễn dịch cao - Vaccine mảnh virus: Là vaccine chế tạo từ glycoprotein vỏ virus g©y bƯnh nh− virus cóm - Vaccine kü tht gen: Là vaccine chế tạo từ vi khuẩn hay nấm men tái tổ hợp có mang gen mà hóa việc tổng hợp protein kháng nguyên virus hay vi khuẩn gây bệnh + Insulin: Việc sản xuất insulin quy mô công nghiệp ngày thành công rực rỡ công nghệ gen Insulin protein đợc tuyến tụy tiết nhằm điều hòa lợng đờng máu Thiếu hụt insulin máu làm rối loạn hầu hết trình trao đổi chất thể dẫn đến tích nhiều đờng nớc tiểu Để điều trị bệnh ngời bệnh phải tiêm insulin Loại insulin chế từ tuyến tuỵ gia súc hay đợc tổng hợp insulin đờng hóa học Quá trình tổng hợp phức tạp, tốn Năm 1978, H Boger đà chế insulin thông qua kü tht di trun trªn vi khn Escherichia coli, thể ngời ta đà chuyển gen chi phối tính trạng t¹o insulin cđa ng−êi sang cho Escherichia coli Víi Escherichia coli đà tái tổ hợp gen này, qua nuôi cấy nåi lªn men cã dung tÝch 1000 lÝt, sau thời gian gắn thu đợc 200 gam insulin tơng đơng với lợng insulin chiết rút từ 8.000 - 10.000 bò + Interferon: Interferon có chất protein, chất giúp cho thể chống lại đợc nhiều loại bệnh Để có đợc interferon ngời ta phải tách chiết chúng từ huyết máu nên tèn kÐm Cịng nh− insulin, ng−êi ta chÕ interferon th«ng qua đờng vi sinh vật Năm 1980, Gilbert đà thành công việc chế interferon từ Escherichia coli, năm 1981 hä thu nhËn interferon tõ nÊm men Saccaromyces cerevisiae cho lợng tăng gấp 10.000 lần so với tế bµo Escherichia coli + KÝch tè sinh tr−ëng HGH (Human growth homone) HGH đợc tuyến yên tạo nên, thông thờng muốn chế đợc HGH ngời ta phải trích từ tuyến yên tử thi, tử thi cho 4- 6mg HGH, theo tính toán muốn chữa khỏi cho ngời lùn phải cần 100 - 150 tử thi Năm 1983, thành công công nghệ vi sinh đà giúp ngời chế đợc HGH từ vi sinh vật Cứ lít dịch lên men Escherichia coli thu đợc lợng HGH tơng ứng với 60 tử thi + Chất kháng sinh Kháng sinh chế từ vi sinh vật đợc ngời đầu t sản xuất từ lâu Đến ngời ta đà tìm thấy có tới 2500 loại thuốc kháng sinh với cấu trúc phân tử đa dạng số chñ yÕu cã nguån gèc tõ vi sinh vËt Trong lĩnh vực nông nghiệp + Cải tạo giống trồng: Thông qua kỹ thuật di truyền với hỗ trợ vi sinh vật, ngời đà tạo đợc giống trồng có nhiều tính u việt cho suất cao, chất lợng nông sản tốt, sức đề kháng sâu bệnh cao + Sản xuất ph©n bãn vi sinh vËt: Ph©n bãn vi sinh vËt sản phẩm chứa hay nhiều loài vi sinh vật sống đà đợc tuyển chọn có mật độ đảm bảo tiêu chuẩn đà ban hành có tác dụng tạo chất dinh dỡng hoạt chất sinh học có tác dụng nâng cao suất, chất lợng nông sản cải tạo đất Các loại phân bón vi sinh vật kể đến phân vi sinh vật cố định nitơ - đạm sinh học (Nitragin, Azotobacterin, Azospirillum), phân vi sinh vật phân giải hợp chÊt phospho khã tan - ph©n l©n vi sinh (Photphobacterin), chÕ phÈm nÊm rƠ, chÕ phÈm t¶o lam + Sản xuất phân hữu sinh học, loại sản phẩm đợc tạo thành thông qua trình lên men vi sinh vật hợp chất hữu có nguồn gốc khác (phế thải nông, lâm nghiệp, phế thải chăn nuôi, phế thải chế biến, phế thải đô thị, phế thải sinh hoạt ), hợp chất hữu phức tạp dới tác động vi sinh vật hoạt chất sinh học chúng đợc chuyển hoá thành mùn + Sản xuất thức ăn chăn nuôi: Một loạt vi sinh vật có khả chuyển hoá hợp chất cacbon hữu thành protein acid amin, vitamin Có thể lợi dụng khả vi sinh vật để sản xuất loại protein đậm đặc làm thức ăn chăn nuôi Một số vi sinh vật khác có khả sản sinh Probiotic có tác dụng điều hoà hệ thống vi sinh vật đờng tiêu hoá ngời ta đà lợi dụng đặc tính vi sinh vật để sản xuất chế phẩm probiotic làm thức ăn bổ sung chăn nuôi + Sản xuất chất kích thích sinh tr−ëng Gibberellin, Aucin tõ vi sinh vËt + S¶n xt chÕ phÈm vi sinh vËt dïng b¶o vƯ thùc vËt: Bt., Biospor, Enterobacterin, Bathurin, Trong lÜnh vực công nghiệp + Sản xuất cồn làm nguồn lợng thay xăng dầu chạy xe loại: Công nghệ vi sinh lên men nguyên liệu rẻ tiền nh rỉ đờng để sản xuất cồn chạy xe thay xăng dầu Năm 1985 Brazil đà sản xuất tỷ lít cồn/năm dùng để chạy xe + Tạo khí sinh häc (Biogas): Th−êng Biogas chøa kho¶ng 60 - 80% khÝ methane (CH4) đợc sinh trình lên men phế thải hữu Nguyên lý trình lên men yếm khí nhóm vi sinh vật yếm khí chịu nhiệt Trong trình phân huỷ chuyển hóa hợp chất hữu ngời ta thu đợc biogas, phần cặn bà lại làm phân bón cho trồng + Bảo vệ môi trờng: Công nghệ vi sinh ®· tham gia tÝch cùc vÊn ®Ị xử lý phế thải công nông nghiệp, rác thải sinh hoạt, nớc thải làm môi trờng công nghệ vi sinh vật hảo khí, bán hảo khí yếm khí Đây vấn đề nóng hổi, cấp thiết toàn cầu IV Vấn đề CNSH để phát triển kinh tế x hội triển vọng công nghÖ vi sinh vËt thÕ kû 21 VÊn đề CNSH để phát triển kinh tế xà hội toàn cầu Trong khoảng 50 năm sau đại chiến lần thứ 2, song song với việc hoàn thiện quy trình CNSH trun thèng ®· cã tõ tr−íc, mét sè h−íng nghiên cứu phát triển CNSH đà hình thành phát triển mạnh mẽ nhờ loạt phát minh quan träng ngµnh sinh häc nãi chung vµ sinh học phân tử nói riêng, lần xác định đợc cấu trúc protein, xây dựng mô hình cấu trúc đờng xoắn kép phân tử ADN (watson Krick, 1953) * Một số hớng phát triển c«ng nghƯ sinh häc LÜnh vùc øng dơng N«ng nghiƯp Tạo chủng vi sinh vật để làm giống sản xt chÕ phÈm vi sinh vËt, ¸p dơng lÜnh vực nông nghiệp (trồng trọt, chăn nuôi, thuỷ hải sản, thuỷ nông cải tạo đất, phân bón, bảo vệ thực vật ) Sản xuất hàng hoá Sản xuất acid hữu c¬ (citric acid, itaconic acid, acetic acid ), sư dơng ezyme làm chất tẩy rửa Năng lợng Gia tăng phạm vi sử dụng biogas, xây dựng dự án sản xuất ethanol dùng làm nhiên liệu Kiểm soát môi trờng Hoàn thiện phơng pháp kiểm soát dự đoán tình trạng môi trờng Tuyển chọn chủng vi sinh vật để xử lý phế thải (rắn + lỏng) làm môi trờng Công nghiệp thực phẩm Xây dựng hoàn thiện phơng pháp chế biến bảo quản lơng thực, thực phẩm Sản xuất chất bổ sung vào thực phẩm, sử dụng protein đơn bào enzyme công nghệ chế biến thực phẩm Vật liệu Hoàn thiện quy trình tuyển khoáng, tuyển chọn chủng vi sinh vật có khả khai thác kim loại, đá quý hoàn thiện phơng pháp kiểm soát trình phá huỷ sinh học Y tế Dùng enzyme tạo cảm biến sinh học thiết bị phân tích y tế Sử dụng enzyme tế bào vi sinh vật sản xuất loại thuốc Sử dụng enzyme số chủng vi sinh vật để chẩn đoán chữa trị bệnh Triển vọng CNSH công nghệ vi sinh vật kỷ 21 Hàng năm giới sản xuất khoảng 150.000 tÊn glutamate-Na lµm bét ngät vµ 15.000 tÊn lysine lµm chất bổ sung vào thực phẩm thức ăn gia súc với tổng trị giá chừng 1,5 tỷ USD, chủ yếu đợc sản xuất Nhật Bản Ngời ta sử dụng khả biến đổi sinh khối thực vật có hàm lợng protein cao vi sinh vật để sản xuất SPC (Single Protein Cell) - Protein đơn Đức đà hoạt động quy trình công nghệ nuôi nấm men Saccharomyces cerevisiae, Candida arborea Candida utilis để sản xuất thực phẩm giàu protein cho ngời Nhiều công ty dầu khí hoá chất đà tiến hành áp dụng quy trình công nghệ sản xuất SPC từ dầu mỏ, khí methane, rợu methanol tinh bột Anh, hÃng ICI sử dụng Methylophilus methylotrophus môi trờng methanol sản xuất đợc khoảng 70.000 tấn/năm SPC có tên thơng phẩm Pruteen Liên Xô cũ, hàng năm từ nguồn nguyên liệu carbohydrate phế liệu nông nghiệp đà sản xuất tỷ SPC dùng chăn nuôi Trong tơng lai, hớng nghiên cứu sử dụng AND tái tổ hợp làm gia tăng khả đồng hoá đạm vi sinh vËt s¶n xt SPC sÏ cã nhiỊu høa hẹn Một số khía cạnh kinh tế CNSH CNVS Chỉ tính riêng ngành sản xuất bia rợu Anh hàng năm có doanh thu khoảng 15 tỷ USD, giới hàng năm sản xuất khoảng tû USD thuèc kh¸ng sinh, 1,5 tû USD amino acid, 500 triệu USD chế phẩm Theo đánh giá cha đủ, năm 2000 tổng doanh thu từ CNSH 100 tỷ USD Việt Nam, CNSH đà mang lại hàng trăm tỷ đồng/năm Mặc dù CNSH CNVS nớc ta nhiều hạn chế, nhng năm qua đà thực góp phần thúc đẩy phát triển nông nghiệp nớc nhà theo hớng công nghiệp hoá đại hoá nông nghiệp nông thôn Phơng hớng phát triển kinh tế xà hội nớc ta đến năm 2010 đà đợc Đảng Nhà nớc rõ là: Cách mạng tin học cách mạng CNSH giữ vai trò động lực Vai trò chế phẩm vi sinh vật sản xuất nông nghiệp - Chế phẩm vi sinh vật không gây hại đến sức khỏe ngời, vật nuôi trồng Không gây ô nhiễm môi trờng sinh thái - Chế phẩm vi sinh vật có tác dụng cân hệ vi sinh vật môi trờng sinh thái - Chế phẩm vi sinh vật không làm chai đất, mà làm tăng độ phì nhiêu đất - Chế phẩm vi sinh vật đồng hóa chất dinh dỡng cho trồng, góp phần làm tăng suất chất lợng nông sản phẩm - Chế phẩm vi sinh vật có tác dụng tiêu diệt sâu hại côn trùng gây hại - Chế phẩm vi sinh vật có tác dụng làm tăng sức đề kháng trồng - Chế phẩm vi sinh vật phân huỷ, chuyển hoá chất hữu bền vững, phế thải sinh hoạt, phế thải nông công nghiệp làm môi trờng Chơng hai Cơ sở hóa sinh di truyền học công nghệ sinh học vi sinh vật I Phân loại sản phẩm Các chất đợc sản xuất đờng lên men nhờ vi sinh vật đa dạng Để tiện cho nghiên cứu ứng dụng phải tiến hành phân loại sản phẩm lên men công nghiệp dựa vào tiêu chuẩn sinh lý sinh hóa trao đổi chất vi sinh vật Chính công tác phân loại sản phẩm việc làm cần thiết công nghƯ vi sinh Sinh khèi (vËt chÊt tÕ bµo) Việc tổng hợp sinh khối tế bào trình thực để sản xuất protein vi sinh vật Quá trình thực chất trình sinh trởng vi sinh vật Quá trình đà phát triển chế điều hòa trao đổi chất đảm bảo phần lớn đến mức cho phép chất dinh dỡng cung cấp đợc sử dụng vào trình tổng hợp thành phần tế bào Sản phẩm trao đổi chất + Sản phẩm trình lên men: Lên men đờng trình trao đổi lợng Ngoài việc cung cấp lợng cho tế bào vi sinh vật, cung cấp sản phẩm có giá trị cho ngời nh−: ethanol, acid acetic, acid lactic, acid propionic, khÝ methane, chất giàu hữu khác + Các chất trao đổi bậc 1: Là nhng viên gạch cấu trúc nên vật chất tế bào, số cao phân tử sinh học chất có phân tử lợng thấp: amino acid, nucleozide, nucleotide, đờng Ngoài ra, chất trao đổi bậc sản phẩm trình trao đổi chất trung gian nh acid hữu chu trình Tricarboxylic + Các chất trao đổi bậc 2: Là chất trao đổi có phân tử lợng thấp, không gặp thể vi sinh vật Những chất chức chung trao đổi chất tế bào nh: chất kháng sinh, độc tố, chất có ho¹t chÊt kÝch thÝch sinh tr−ëng nh− gibberellin + Enzyme: Là protein xúc tác có biến đổi chất tế bào Mỗi tế bào vi sinh vật có khoảng 1000 loại enzyme khác với số phân tử lên đến 106, gồm enzyme nội enzyme ngoại bào nh: amylase, proteaea, cellulase enzyme nội bào chiếm đa số Các sản phẩm chuyển hóa chất tế bào vi sinh vật Sản phẩm Tiền sản phẩm Tế bào vi sinh vật thông qua hệ enzyme đóng vai trò xúc tác cho phản ứng chuyển hóa chất Về mặt lý thuyết phản ứng xảy nhờ xúc tác hóa học Tuy nhiên trình không thực đợc điều kiện bình thờng, mà thực điều kiện đặc biệt (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm) thích hợp cho trình chuyển hóa, trờng hợp ngời ta chuyển sang sản xuất công nghƯ vi sinh vËt VÝ dơ tõ ethanol chun ®Õn acetic acid phải dùng chủng Acetobacter, Acetomonas để chuyển hóa II Mèi quan hƯ gi÷a sinh tr−ëng cđa vi sinh vật tạo thành sản phẩm Trong điều kiện nuôi cấy tĩnh, trình sinh trởng vi sinh vật trải qua pha, đợc biểu diễn đồ thị (hình 1) Sinh trởng tạo sản phẩm Giai đoạn dinh dỡng Thời gian Giai đoạn đặc thù Thời gian Hình 1: Mối quan hệ sinh trởng tạo thành sản phẩm vi sinh vật Trong điều kiện nuôi cấy toàn trình sinh trởng vi sinh vật gắn liền với thay đổi theo thời gian Trong môi trờng, chất dinh dỡng theo thời gian giảm, tơng ứng số lợng tế bào vi sinh vật tăng lên, đồng thời hoạt tính trao đổi chất tế bào thay đổi Lúc sản phẩm trao đổi chất có vai trò khác tế bào Có thể tạm chia sản phẩm thành loại sau: + Loại sản phẩm mà hình thành nã g¾n liỊn víi sinh tr−ëng cđa vi sinh vËt, nh chất trao đổi bậc 1: Các enzyme, sản phẩm trình lên men Sự tổng hợp loại sản phẩm xảy thời gian sinh trởng tiếp diễn sau sinh trởng đà kết thúc + Loại sản phẩm mà hình thành chúng không cần thiết cho sinh trởng vi sinh vật, nh chất trao đổi bậc Sự tổng hợp chất xảy sau sinh trởng đà kết thúc (ở vào pha tĩnh Giáo trình vi sinh vật đại cơng) Sự tạo thành sản phẩm giai đoạn đợc gọi sản xuất hay giai đoạn đặc thù, giai đoạn dinh dỡng Tuy có nhiều sản phẩm mà hình thành không nằm hai giai đoạn trên, tạm gọi dạng trung gian, ví dụ hình thành amino acid, sản phẩm đợc hình thành giai đoạn dinh dỡng, nhng tiếp diễn sau sinh trởng đà kết thúc, trình tổng hợp amino acid tiếp diễn sở sai hỏng điều hòa trao đổi chất tổng hợp Từ cho thấy, công nghệ lên men đòi hỏi nhà sản xuất phải biết sản phẩm cần thu đợc sinh giai đoạn trình nuôi cấy, đồng thời phải biết tìm biện pháp tối u hóa trình nuôi cấy hiệu suất tạo sản phẩm cao Nghĩa tìm điều kiện nuôi cấy đảm bảo cho vi sinh vật đạt trạng thái sinh trởng, phát triển tối u Trong công nghệ lên men, đích cuối cần phải đạt là: từ chất ban đầu với dung tích nồi lên men nhỏ nhất, thời gian ngắn, thu hoạch sản phẩm mong muốn với suất cao Nh giảm đợc giá thành Một quy trình công nghệ nh hoàn thiện ROBOT Công nghiệp 77 Coordinates) Easy-Rob đà có sẵn trình điều khiển động học thuận ngợc cấu hình robot thông dụng, thiết kế ta cần khai báo kiểu động học thích hợp Trong trờng hợp robot có kết cấu đặc biệt có khâu bị động gắn với chuyển động khớp cần phải giải toán động học ngợc xác định hàm toán học mô tả phụ thuộc khâu bị động khớp quay, viết chơng trình xác định phụ thuộc ngôn ngữ C sau dùng tập tin MAKE.EXE C để dịch thành tập tin th viện liên kết động er_kin.dll (EasyRob kinematic Dynamic link library), chạy chơng trình, EASY-ROB liên kết với tập tin nầy thực kiểu động học đà đợc khai báo chơng trình ®iỊu khiĨn Easy-ROB cã mét sè c¸c lƯnh ®iỊu khiĨn riêng, Chơng trình đợc viết theo kiểu xử lý tuần tự, tập tin dạng Text, soạn thảo chơng trình trình soạn thảo Các công cụ gắn khâu chấp hành cuối thay đổi đợc Chúng ta viết chơng trình chuyển động cho robot theo quỹ đạo mong muốn, kiểm tra khả vơn tới cánh tay, xác định vùng làm việc robot Robot mô cầm nắm thả đối tợng làm việc Các chuyển động robot cã thĨ ghi vµo mét tËp tin vµ cã thể thực lại Phần mềm cho phép ta xem đợc hệ toạ độ đà gắn khâu robot, xem đợc quỹ đạo chuyển động điểm cuối công cụ gắn khâu chấp hành cuối Phần mềm có nhiều tiện ích khác nh : cho phép ta lập trình điều khiển robot phơng pháp dạy học, thiết kế đối tợng làm việc robot, có cửa sổ toạ độ giá trị góc quay khớp thời điểm robot hoạt động Việc sử dụng phần mềm EASY-ROB để mô robot giúp hai khả nghiên cứu : a/ Mô lại robot đà có đối tợng làm việc Đánh giá khả làm việc mức độ linh hoạt robot, xác định thông số điều khiển, quỹ đạo chuyển động để dùng điều khiển thực b/ Nghiên cứu thiết kế động học, kích thớc kết cấu robot máy tính để chọn đợc phơng án động học tốt nhất, đảm bảo cho robot hoàn thành nhiệm vụ yêu cầu 6.3 Tìm hiểu hình EASYíROB : a- Menu : Menu phần mềm EASY-ROB cung cấp nội dung hoạt động khác phần mềm Bớc đầu làm quen, ta cần quan tâm Menu sau : Menu FILE : Xử lý tác vụ File Trong Easy-Rob có nhiều loại file đợc qui định phần mở rộng (đuôi File), ví dụ : File có dạng *.Cel : (Cellfile) để mô tả kết cấu Robot, công cụ làm việc đối tợng làm việc robot Đây File tổng hợp, bao gồm chơng trình dùng để điều khiển robot TS Phạm Đăng Phớc 78 ROBOT Công nghiệp Thanh công cụ Menu Thanh công cụ Cửa sổ để thiết kế 17 12 18 Hình 6.1 : Màn hình EASY-ROB File có dạng *.Rob : (Robotfile) để mô tả riêng kết cấu robot File có dạng *.Bod : (Bodyfile) để mô tả đối tợng làm việc cđa robot .d¹ng File cã *.Tol : (Toolfile) để mô tả công cụ gắn khâu chấp hành cuối robot File có dạng *.Vie : (Viewfile) để xác định góc nhìn không gian File có d¹ng *.igp : (Igrip Partfile) l−u trư mét bé phËn kết cấu File có dạng *.Prg : (Programm) Chơng trình ®iỊu khiĨn v.v Menu Robotics : Dïng ®Ĩ nhËp c¸c thông số DH, xác định vị trí dụng cụ, xác định vị trí robot thông số khác Menu 3D-CAD : Cung cấp công cụ để vẽ kÕt cÊu robot kh«ng gian chiỊu (3D) cịng nh để thiết kế công cụ, đối tợng làm việc Để vẽ đợc kết cấu robot, dựa vào khối hình học đơn giản ta lắp ghép chúng lại để tạo nên hình dáng khác robot b- Các công cụ : Các nút công cụ dùng để thực thao tác nh menu (mà không cần vào menu) Sử dụng nút công cụ cho phép ta thao tác nhanh phải vào menu Chức nút c«ng nh− sau : Thanh c«ng n»m ngang phía trên, tính từ trái sang phải : Bật tắt chế độ chiếu sáng đối tợng vẽ TS Phạm Đăng Phớc ROBOT Công nghiệp 79 Chuyển tất đối tợng sang dạng lới Chuyển đối tợng dạng trụ / khối phức tạp Thể hiện/không thể sàn Thể sàn dạng lới Reset vị trí robot hình Chuyển ®ỉi cưa sỉ më Cellfile hc igip partfile (kÕt hợp với nút 7) Chạy chơng trình 10 Tạm dừng chơng trình 11 Tiếp tục chạy chơng trình 12 Kết thúc chơng trình 13 Chạy chơng trình theo bớc 14 Lặp lại chơng trình sau kết thúc 15 16 Giảm tăng tốc độ điều khiển 17 Đánh giá sai số xem giá trị động häc Thanh c«ng n»m ngang phÝa d−íi, tÝnh tõ trái sang phải : Thấy không thấy kết cấu robot Thấy không thấy dụng cụ Thấy không thấy đối tợng làm việc Thể hiện/không thể hệ toạ độ gắn với dụng cụ Thể hiện/không thể hệ toạ độ gắn khâu robot Thể vị trí điều khiển Mô động lực học Thể quĩ đạo chuyển động Sử dụng giới hạn khớp 10 Soạn thảo chơng trình dạy học 12 Thể Hệ toạ độ gắn đối tợng thời 13 Chuyển đến đối tợng (khi thiết kế) 14 Xác định vị trí tuyệt đối đối tợng 15 Xác định vị trí tơng đối đối tợng 16 Reset vị trí đối tợng 17 Ghi lại vị trí đối tợng sau điều chỉnh 18 Đa robot vị trí dừng (Home position) 19 §iỊu khiĨn robot theo khíp quay Thanh công cụ thẳng đứng (Thao tác chuột) , tính từ xuống : Dùng chuột để view, zoom Pan 2.3 Điều khiển hớng khâu chấp hành cuối chuột Điều khiển khớp 1,2,3 (Dùng phím chuột) Di chuyển thân robot (hệ toạ độ sở) Di chuyển đối tợng (body) chuột Di chuyển tất đối tợng chuột Chuyển đổi chuyển động quay tịnh tiến (Dùng hiệu chỉnh đối tợng vẽ) 11.12 Tăng giảm tốc độ điều khiển chuột 6.4 Thao t¸c cht : Easy-Rob cho phÐp dïng cht víi nhiỊu chức nh : TS Phạm Đăng Phớc ROBOT Công nghiƯp 80 Khi nót lƯnh sè cđa c«ng cụ thẳng đứng đợc chọn : zoom (Phóng to, thu nhỏ) : ấn nút chuột phải, rê chuột lên xuống theo phơng thắng đứng hình Pan (thay đổi vị trí đối tợng so với khung hình) : ấn đồng thời hai nút chuột phải trái, rê chuột hình Rotate (quay robot để nhìn góc độ khác nhau) : ấn chuột trái, rê chuột Khi nút lệnh số công cụ thẳng đứng đợc chọn : Quay khớp 1: ấn nút chuột phải, rê chuột (nếu khớp tịnh tiến làm khâu chuyển động tịnh tiến) Quay khớp 2: ấn đồng thời nút chuột phải trái, rê chuột Quay khớp 3: ấn nút chuột trái, rê chuột 6.5 Gắn hệ toạ độ : Muốn xác định hệ toạ độ robot trớc hết phải thực tay công việc sau: Vẽ sơ đồ động robot vị trí dừng, gắn hệ toạ độ khâu lên hình vẽ giấy, xác định thông sè DH C¸c b−íc tiÕp theo : 1- BËt nót lệnh số menu ngang, dới 2- Vào menu chÝnh : FILE -> LOAD -> ROBOTFILE chän DHTempl -> OPEN 3- Vµo menu chÝnh : ROBOTICS -> ROBOTMOTION + KINEMATICS -> KINEMATICS DATA 4- Chän Active Join -> Ok -> Activ Joint (1) RZ (hoặc chọn TZ khớp tịnh tiến) -> Ok -> Nhập thông số DH cđa kh©u thø nhÊt 5- Chän Quit -> Ok Vào lại bớc -> Number Active Joint(1) -> Ok -> ấn đúp chuột vào vệt xanh đa trỏ vào phần nhập liệu (text box) ấn (Bây số khâu động 2), nhập thông số DH cho khâu số Làm tơng tự đủ số khớp yêu cầu Ta kiểm tra số liệu đà nhập cách kÝch chuét vµo menu : ROBOTICS -> ROBOTMOTION + KINEMATICS -> KINEMATICS DATA-> KINEMATIC INFOMATION để xem lại số khâu, khớp thông số DH Nếu vào liệu sai ta hiệu chỉnh lại Để thể hệ toạ độ robot hình (Hệ toạ ®é mµu vµng), nhí kÝch cht vµo nót sè công cụ nằm ngang phía dới TS Phạm Đăng Phớc ROBOT Công nghiệp 81 6.6 Vẽ hình dáng robot : Sau hoàn thành việc gắn hệ toạ độ robot, bớc vẽ hình dáng Hình dáng robot đợc mô pháng gièng nh− robot thùc nhê c«ng 3D CAD EasyRob Menu 3D-CAD cho phép tạo khối hình học nh khối trụ, khối cầu, khối chữ nhật, khối tam giác Sự phối hợp hợp lý kích thớc vị trí khối hình học nầy cho phép thể đợc kết cÊu kh¸c cđa robot C¸c menu kÐo xng cđa Menu 3DCAD nh hình 6.2, số chức chÝnh nh− sau : + Select group : Chän nhãm ®èi t−ỵng ®Ĩ thiÕt kÕ : 1/Robot group, 2/Tool group hay 3/ Body group + Select body from group : Chọn phận robot đà vẽ (theo tên đặt trớc) nhóm chọn hành + Create/Import new 3D body : Tạo nhập phận đà có sẳn Cần nhập thông số cần thiết để tạo đối tợng mong muốn + Modify sel Body_set Jnt_idx : HiƯu chØnh c¸c thc tÝnh cđa bé phận hành + Clone : Copy phận vẽ thành nhiều hình Hình 6.2 : Menu 3D-CAD + Render : Biểu đối tợng dạng lới, dạng hộp, + Color : Thay đổi màu sắc + Name : Thay đổi tên phận vẽ + Clear : Xoá đối tợng (bộ phận) hành + Position's : Thay đổi vị trí đối tợng (bộ phận) hành + 3D CAD Coorsys Visibility : Cho ẩn hệ tọa độ đối tợng vẽ + Next Body in group : Chọn đối tợng vẽ Dùng menu 3D CAD ta lần lợt vẽ tất khâu robot, dùng màu sắc khác để thể hình dáng robot Lu ý trình vẽ, vẽ sai phải dùng mục CLEAR để xóa dùng mục MODIFY CEL để hiệu chỉnh Mỗi đối tợng vẽ phải gắn với khâu định, đợc khai b¸o mơc SET JOINT INDEX Cã thĨ dïng công cụ thẳng đứng phía phải để thay đổi vị trí đối tợng vẽ cho thích hợp TS Phạm Đăng Phớc 82 ROBOT Công nghiệp 6.7 Lập trình điều khiển robot mô : Để lập trình điều khiển robot đà mô ta dùng phơng pháp lập trình kiểu dạy học Sau đà thiết kế hình dáng robot, công cụ gắn khâu chấp hành cuối, đối tợng làm việc khác ta lập trình để điều khiển robot đà mô pháng ViƯc lËp tr×nh thùc hiƯn theo tr×nh tù sau : Nhấp chuột vào nút lệnh số 10 (Show program window) để kích hoạt cửa sổ lập trình nh h×nh 6.3 : H×nh 6.3 : Cưa sỉ lËp tr×nh Chọn New để đặt tên cho File chơng trình Chọn Append muốn bổ sung chơng trình đà có đĩa Xác định vị trí điểm mà dụng cụ phải qua (dùng chuột để điều khiển khớp, dùng menu đứng) Cứ sau lần xác định đợc vị trí ấn nút PTP (điều khiển ®iĨm) hc LIN (®iỊu khiĨn ®−êng) hc VIA (diĨm trung gian dÉn h−íng ®iỊu khiĨn ®−êng cong), CIRC (®iỊu khiển theo đờng cong) Làm liên tục cho tất điểm để có chơng trình hoàn thiện Sau kÕt thóc viƯc d¹y robot häc, Ên nót Close Program Window để kết thúc Để hiệu chỉnh bổ sung lệnh điều khiển khác vào chơng trình, ấn chuột vào nút EDIT, Dùng lệnh EasyRob nh dới để hoàn thiện chơng trình ERPL - EASY-ROB-Program Language Ghi : - Đơn vị chiều dài Mét [m], Góc độ [deg] [%] - Đơn vị tốc độ [m/s] - Vị trí hớng hệ tọa độ gắn khâu chấp hành cuối đợc xác định gồm : X, Y Z : tọa độ vị trí, A, B C góc hớng Hớng khâu chấp hành cuối xác định theo góc ABC là: Rot (A,B,C) = Rot(X,A) * Rot(Y,B) * Rot(Z,C) CÊu tróc chung cđa ch−¬ng trình, Mô tả cú pháp số lệnh hay dùng : PROGRAMFILE : Bắt đầu chơng trình TS Phạm Đăng Ph−íc ROBOT C«ng nghiƯp 83 ENDPROGRAMFILE or END : KÕt thúc chơng trình CALL fct_name : Gọi hàm có tên fct_name(), đà đợc định nghĩa chơng trình CALL FILE filename : Gọi File chơng trình có tên filename, File phải có cung cấu trúc nh chơng trình FCT fct_name() : Bắt đầu Định nghĩa hàm có tên fct_name() ENDFCT : Kết thúc định nghĩa function ! Các ghi chơng trình TOOL X Y Z A B C [m,deg] : Định tọa độ điểm cuối dụng so so với khâu chấp hành cuèi PTP X Y Z A B C [m,deg] : Di chun robot ®Õn ®iĨm míi (täa ®é tut ®èi) §iỊu khiĨn ®iĨm PTP_REL dX dY dZ dA dB dC [m,deg] : Di chun robot ®Õn ®iĨm míi (täa ®é tơng đối) Điều khiển điểm LIN X Y Z A B C [m,deg] : Di chun robot ®Õn ®iĨm míi (tọa độ tuyệt đối) Điều khiển đờng LIN_REL dX dY dZ dA dB dC [m,deg] : Di chun robot ®Õn điểm (tọa độ tơng đối) Điều khiển đờng CIRC X Y Z A B C [X2 Y2 Z2] [m,deg] : Di chun robot ®Õn ®iĨm míi (täa ®é tut ®èi) §iỊu khiĨn ®−êng cong [X2 Y2 Z2] - §iĨm trung gian (3 điểm để xác định cung tròn) CIRC_REL dX dY dZ dA dB dC [dX2 dY2 dZ2] [m,deg] : Di chun robot ®Õn ®iĨm míi (täa ®é tơng đối) Điều khiển đờng cong WAIT x [sec] : Robot dừng hoạt động x giây ERC TRACK ON,OFF : Thể quỹ đạo chuyển ®éng ERC LOAD TOOL filename : Gäi mét Tool file (*.tol) ERC LOAD VIEW filename : Gäi mét View file (*.vie) ERC LOAD ROBOT filename Loads a Robot file (*.rob) ERC LOAD BODY filename Loads a Body file (*.bod) ERC LOAD TAGS filename Loads a Tag file (*.tag) ERC GRAB BODY ’bodyname’ : Dơng cÇm lÊy mét vËt thĨ (body) cã tªn Bodyname ERC GRAB BODY_GRP : Dơng cÇm lÊy mét nhãm vËt thĨ (Body_Grp) ERC RELEASE BODY bodyname : Dụng cụ thả (buông) vật thể (body) có tên Bodyname ERC RELEASE BODY_GRP Dụng cụ thả (buông) mét nhãm vËt thÓ (Body_Grp) ERC ROBOT_BASE XYZ ABC [m,deg] : Di chuyển gốc tọa độ robot đến vị trí v.v Còn nhiều lệnh khác Easy-Rob, tham khảo Website: http ://www easy-rob.com ================================================= TS Phạm Đăng Phớc 84 Robot công nghiệp chơng VII Động lực học Robot (Dynamic of Robot) 7.1 Nhiệm vụ phơng pháp phân tích động lực học robot Nghiên cứu động lực học robot công việc cần thiết phân tích nh tổng hợp trình điều khiển chuyển động Việc nghiên cứu ®éng lùc häc robot th−êng gi¶i qut hai nhiƯm vơ sau : 1/ Xác định momen lực động xuất trình chuyển động Khi qui lt biÕn ®ỉi cđa biÕn khíp qi(t) coi nh− ®· biết Việc tính toán lực cấu tay máy cần thiết để chọn công suất động cơ, kiểm tra độ bền, độ cứng vững, đảm bảo độ tin cậy robot 2/ Xác định sai số ®éng tøc lµ sai lƯch so víi qui lt chun động theo chơng trình Lúc nầy cần khảo sát Phơng trình chuyển động robot có tính đến đặc tính động lực động khâu Có nhiều phơng pháp nghiên cứu động lực học robot, nhng thờng gặp phơng pháp học Lagrange, cụ thể dùng phơng trình Lagrange - Euler Đối với khâu khớp robot, với nguồn động lực kênh điều khiển riêng biệt, bỏ qua c¸c hiƯu øng träng tr−êng (gravity effect), qu¸n tÝnh (initial), tơng hổ (Coriolis), ly tâm (centripetal) mà khía cạnh nầy cha đợc xét đầy đủ học cổ điển; Cơ học Lagrange nghiên cứu vấn đề nêu nh hệ thống khép kín nên nguyên lý học thích hợp toán động lực học robot 7.2 Cơ học Lagrange với vấn đề động lực robot Hàm Lagrange hệ thống lợng đợc định nghĩa : L=K-P (7.1) Trong : K tổng động hệ thống P tổng K P đại lợng vô hớng nên chọn hệ toạ độ thích hợp để toán đợc đơn giản Đối với robot cã n kh©u, ta cã : n K = ∑ Ki i =1 vµ n P = ∑ Pi i =1 đây, Ki Pi động khâu thứ i xét hệ toạ độ chọn.Ta biết đại lợng Ki Pi mét hµm sè phơ thc nhiỊu biÕn sè: Ki = K(qi, q& i ) vµ Pi = P(qi, q& i ) Với qi toạ độ suy rộng khớp thứ i Nếu khớp thứ i khớp quay qi góc quay i, khớp tịnh tiến qi độ dài tịnh tiến di Ta định nghĩa : Lực tác dụng lên khâu thứ i (i=1, 2, , n) với quan niệm lực tổng quát (Generalized forces), lực momen (phụ thuộc vào biến khớp qi tịnh tiến quay), đợc xác định bởi: d L L Fi = − (7.2) dt ∂q& i ∂q i TS Ph¹m Đăng Phớc 85 Robot công nghiệp Phơng trình nầy đợc gọi phơng trình Lagrange-Euler, hay thờng đợc gọi tắt phơng trình Lagrange 7.3 Ví dụ áp dụng : Xét robot có hai khâu nh hình vẽ, Các khâu có chiều dài d1 d2 với khối lợng tơng ứng m1 m2 qui đổi đầu mút khâu Robot đợc đặt thẳng đứng chịu gia tốc trọng trờng g Các khớp chuyển động quay với biến khớp Tính lực tổng quát Qua ví dụ nầy, với mối liên kết hai y khâu, vấn đề đặt đà có mặt g = 9,81m/s2 trình nghiên cứu động lực học, đó, ví dụ nêu mở rộng để áp dụng trờng hợp phức tạp O0 x x1 x2 Đối víi kh©u : 1 K1 = m1 v 12 = m1d 12 θ& 12 (7.3) z 2 P1 = -m1gd1cos1 (7.4) m1 y1 Đối với khâu : Về toạ độ : x2 = d1sin1 + d2sin(θ1 + θ2) θ2 y2 m2 y2 = -d1cosθ1 - d2cos(1 + 2) Chiều cao : h = d1cosθ1 + d2cos(θ1 + θ2) 2 v = x& + y& VỊ mỈt vËn tèc : d Víi x& = x = d cos(θ1 )θ& + d cos(θ1 + θ )(θ& + θ& ) dt d y& = y = d sin(θ1 )θ& + d sin(θ1 + θ )(θ& + θ& ) dt v = d 12 θ& 12 + d 22 (θ& 12 + 2θ& 1θ& + θ& 22 ) + 2d 1d cos(θ )(θ& 12 + θ& 1θ& ) [ ] Động : 1 K = m v 22 = m d 12 θ& 12 + d 22 (θ& 12 + 2θ& 1θ& + θ& 22 ) + 2d 1d cos(θ )(θ& 12 + θ& 1θ& ) 2 P2 = − m g[d cos(θ1 ) + d cos(θ + θ )] [ ] (7.5) (7.6) 7.4 Hµm Lagrange vµ lùc tỉng quát : áp dụng hàm Lagrange cho ví dụ trên, ta cã : L = (K1 + K2) - (P1 + P2) 1 L = ( m1 + m )d 12 θ& 12 + m d 22 (θ& 12 + 2θ& 1θ& + θ& 22 ) + m d 1d cos θ (θ& 12 + θ& 1θ& ) + 2 + ( m1 + m )gd cos θ1 + m gd cos(θ1 + θ ) (7.7) Khi tÝnh lùc tỉng qu¸t, c¸c biÕn cđa hƯ : q1 = q2 = Đối với khâu : ∂L ∂L = = ( m1 + m )d 12 θ& + m d 22 (θ& + θ& ) + m d 1d cos θ θ& + m d 1d cos θ θ& & q& 1 TS Phạm Đăng Phớc 86 Robot công nghiÖp d ∂L && + m d (&& && & & && = ( m1 + m )d 12 θ 2 θ + θ ) − m d 1d sin θ θ θ + m d 1d cos θ θ − & dt ∂θ1 && − m d d sin θ θ& + m d d cos θ θ 2 2 2 2 ∂L ∂L = = − ( m1 + m )gd sin θ1 − m gd sin(θ1 + θ ) ∂q ∂θ1 VËy : ∂L d ∂L && + − = [( m1 + m )d 12 + m d 22 + m d 1d cos θ ]θ & dt ∂θ ∂θ && − m d d sin θ θ& θ& − m d d sin θ θ& + (7.8) +[ m d 22 + m d 1d cos θ ]θ 2 2 2 2 + ( m1 + m )gd sin θ + m gd sin(θ + θ ) Muốn cho khâu quay đợc góc động phải tạo lực tổng quát F1 Lực tổng quát nầy có đặc tính phi tuyến, hợp tác dụng nhiều yếu tố (non linear and cuppling) Tơng tự, để tính lực tổng quát khâu thứ hai , ta có : L = m d 22 θ& + m d 22 θ& + m d 1d cos θ θ& ∂θ& F1 = d ∂L && & & && + m d d cos θ θ = m d 22 && θ1 + m d 22 θ 2 2 − m d 1d sin θ θ 1θ & dt ∂θ ∂L = − m2 d1d sin(θ )θ&1θ&2 − − m2 d1d sin(θ )θ&12 − m2 gd sin(θ1 + θ ) ∂θ vµ VËy : d ∂L ∂L − = [m2 d 22 + m2 d1d cosθ ]θ&&1 + m2 d 22θ&&2 & dt ∂θ ∂θ − m d d sin(θ )θ& + m gd sin(θ + θ ) F2 = 2 2 (7.9) §Ĩ phân tích ý nghĩa thành phần biểu thức tính lực tổng quát, ta viết lại biểu thức F1, F2 nh− sau : && + D θ& + D θ& + D θ& θ& + D θ& θ& + D F1 = D11&& θ1 + D12 θ 111 122 112 121 2 && && & & & & & & F2 = D12 θ1 + D 22 θ + D 211θ + D 222 θ + D 212 θ1θ + D 221θ 1θ + D HiÖu øng HiÖu øng HiÖu øng Hiệu ứng quán tính ly tâm tơng hổ trọng trờng Effective inertias Centripetal effect Coriolis effect Gravity (Trong ®ã : D111 = 0; D222 = 0; D112 = D121 = D212 = D221 =-m2d1d2sin2 ) Trong biểu thức trên, hệ số dạng Dii D ij thể hiệu ứng quán tính khớp i j gây gia tốc khớp i j Các số hạng có dạng D & lực ly tâm ijj j tác động lên khớp i gây bëi vËn tèc t¹i khíp j Sè h¹ng d¹ng D ijk& j&k + D ikj&k& j lực Cariolis tác động lên khớp thứ i gây vận tốc khớp j k Số hạng có dạng Di lực trọng trờng tác động lên khớp i TS Phạm Đăng Phớc 87 Robot công nghiệp 7.5 Phơng trình ®éng lùc häc robot : XÐt kh©u thø i cđa robot có n khâu Tính lực tổng quát Fi khâu thứ i với khối lợng vi phân dm Lực tổng quát Fi đóng vai trò quan trọng xây dựng sơ đồ khối để thiết lập hàm điều khiển cho robot có n bậc tù VËn tèc cđa mét ®iĨm robot : Một điểm khâu thứ i đợc mô tả hệ toạ độ : (7.10) r = Ti ir i Trong ®ã : r toạ độ điểm xét khâu thứ i, ir không thay đổi theo thời gian Ti ma trận chuyển đổi từ khâu thứ i hệ toạ độ gốc : Ti = A1A2 Ai Nh r hàm thời gian t Tốc độ vi khối lợng dm đợc tính công thức : ⎛ i ∂T ⎞ dr d i &r = = Ti r = ⎜⎜ ∑ i q& j ⎟⎟ i r (7.11) dt dt ⎝ j=1∂q j ⎠ Khi tính bình phơng vận tốc nầy ta có : &r &r = ∑ r ( x& o , y& o , z& o ) = Tr ( &r &r T ) (7.12) y i Kh©u i r dm Ti r O0 x z Hình 7.1 Khảo sát tốc độ vi khối lợng dm Với rT chuyển vị vectơ Tr viết tắt Trace (vết cña ma trËn) : ⎡ a 11 a 12 a 1n ⎤ ⎢a a 22 a n ⎥ n 21 ⎥ = ∑a Trace ⎢ ⎢ ⎥ i =1 ii ⎥ ⎢ ⎣a n1 a n a 11 a nn ⎦ Hay : ⎡x ⎤ ⎡ x⎤ ⎢ ⎥ ⎢ y ⎥ [x y z ] = y2 ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ z ⎢⎣ z ⎥⎦ ⎣ ⎦ Do vËy d d &r = Tr ( &r &r T ) = Tr ( Ti i r Ti T i r T ) dt dt TS Ph¹m Đăng Phớc 88 Robot công nghiệp T i ∂T i ∂T = Tr ⎢ ∑ i q& j i r ∑ i q& k i r T ⎥ k =1 ∂q k ⎥⎦ ⎢⎣ j=1∂q j T ⎡ i i ∂Ti i i T ∂Ti ⎤ rr q& j q& k ⎥ = Tr ⎢∑∑ ∂qk ⎣⎢ j =1 k =1 ∂q j ⎦⎥ (7.13) Tính động vi khối lợng dm Ký hiệu Ki động khâu thứ i dKi động vi khối lợng dm đặt vị trí ir khâu thứ i T ⎡ i i ∂Ti i i T ∂Ti dK i = Tr ⎢ ∑ ∑ rr q& j q& k ⎥ dm ⎢⎣ j=1k =1 ∂q j ∂q k ⎥⎦ ⎤ ∂T T ⎡ i i ∂Ti i = Tr ⎢ ∑ ∑ (7.14) ( r dm.i r T ) i q& jq& k ⎥ ⎢⎣ j=1k =1 q j q k Và động khâu thứ i : ∂Ti T ⎡ i i ∂Ti i i T K i = ∫ dK = Tr ⎢∑ ∑ ( ∫ r r dm ) q& j q& k ⎥ (7.15) ⎣⎢ j =1 k =1 ∂q j Khau i q k Khau i Đặt Ji = i r.i r T dm gọi ma trận giả quán tính (Pseudo inertia matrix) Khau i ý nghĩa "giả quán tính" đợc sử dụng thiết lập đầy đủ phần tử ma trận Ji ta liên hệ với khái niệm "mômen quán tính độc cực" trình bày phần tử Ji giống nh phần tử mômen quán tính độc cùc Ta xÐt mèi quan hƯ nÇy nh− sau : Theo định nghĩa ta có : i i i x dm x ydm ∫ i x i zdm ∫ i xdm ⎤ ∫ ∫ ⎥ ⎢ i i i i i i x ydm y dm y zdm ydm ⎥ ⎢ ∫ ∫ ∫ J i = ∫ i r.i r T dm = Ji = ⎢ ∫ i i (7.16) ⎥ i i i i x zdm y zdm z dm zdm Khau i ∫ ∫ ∫ ⎥ ⎢∫ i i ⎢ i xdm ∫ ydm ∫ zdm ∫ dm ⎥⎦ ⎣ ∫ B©y giê ta nhắc lại mômen quán tính độc cực vËt thĨ bÊt kú nh− h×nh vÏ y x Theo ®Þnh nghÜa ta cã : ω I xx = ∫ ( y + z )dm z I yy = ∫ x + z )dm H×nh 7.2 : Mômen quán tính độc cực Và : Vậy : I zz = ∫ ( x + y )dm 1 x2 = − ( y2 + z2 ) + (x2 + z2 ) + (x2 + y2 ) 2 2 ∫ x dm =( −I xx + I yy + I zz ) / ; v.v Ngoài ta có : I xy = ∫ xydm ; I yz = ∫ yzdm ; I xz = ∫ xzdm mx = ∫ xdm ; my = ydm ; TS Phạm Đăng Phớc mz = zdm 89 Robot công nghiệp Đối chiếu với ma trận giả quán tính Ji, ta trình bày Ji nh sau : I xx + I yy + I zz I yx I zx mx ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ I xx − I yy + I zz ⎢ I xy I zy my⎥ ji = ⎢ ⎥ I xx + I yy − I zz ⎥ ⎢ I yz I yz mz ⎥ ⎢ ⎢ mx my mz m ⎥⎦ ⎣ Nh− vËy ý nghÜa biĨu tr−ng cđa Ji ®· râ T ⎤ ⎡ i i ∂Ti ∂Ti VËy ta cã : K i = Tr ⎢∑∑ Ji q& j q& k ⎥ ⎣⎢ j =1 k =1 q j q k Cuối cùng, Động robot có n khâu đợc tính : (7.17) (7.18) n K = ∑ Ki (7.19) i =1 Tính robot : Thế khâu i có khối lợng mi, trọng tâm đợc xác định vectơ ri (vectơ biểu diễn trọng tâm khâu i hệ toạ độ bản) : (7.20) Pi = -mi g ri = -mi g Ti iri Trong đó, vectơ gia tốc trọng trờng g đợc biểu diễn dới dạng ma trận cột : ⎡gx ⎤ ⎡ ⎤ ⎢g ⎥ ⎢ ⎥ ⎥ g = ⎢ y⎥ = ⎢ ⎢ g z ⎥ ⎢ − 9,8⎥ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎣0⎦ ⎣ Thế toàn cấu robot n khâu động : n P = mi gTi i ri (7.21) i =1 5.4 Hµm Lagrange : Sau xác định động toàn cấu, ta có hàm Lagrange robot cã n bËc tù : L= ⎛ ∂Ti ∂Ti T n i i ⎜ Trace J ∑∑∑ ⎜ ∂q i ∂q i =1 j =1 k =1 k ⎝ j n ⎞ ⎟q& j q& k + ∑ mi gTi i ri ⎟ i =1 ⎠ (7.22) Chóng ta chó ý r»ng, hµm Lagrange cha đề cập đến ảnh hởng nguồn truyền động (gồm phần tĩnh (stator) phần động (Rotor) động điện) 5 Phơng trình ®éng lùc häc robot : Ta ®· biÕt lùc tæng quát đặt lên khâu thứ i robot có n khâu (Phơng trình Lagrange - Euler) : d L L Fi = − (7.23) dt ∂q& i ∂q i Sau thiÕt lËp hµm Lagrange, víi p = n, ta tính đợc : TS Phạm Đăng Phớc 90 Robot công nghiệp (p số lần lợt lấy theo j vµ k) ⎛ ∂Ti ∂Ti T ⎞ ⎛ ∂Ti ∂Ti T ⎞⎟ n i ∂L n i ⎟q& j ⎜ Ji q& k + ∑∑ Tr⎜ Ji = ∑∑ Tr i =1 j =1 ⎜⎝ ∂q j ∂q p ⎟⎠ ∂q& p i =1 k =1 ⎜⎝ ∂q p ∂qk ⎟⎠ Thay ®ỉi chØ số giả j thành k số hạng thứ hai ,và để ý : (7.24) T Ti ∂Ti ⎛ ∂Ti ∂Ti T ⎞⎟ ∂Ti T ⎞⎟ ∂Ti T ⎞⎟ ⎜ ⎜ ⎜ (7.25) Tr J J J = Tr = Tr ⎜ ∂q i ∂q ⎟ ⎜ ∂q i ∂q ⎟ ⎜ ∂q i ∂q ⎟ p ⎠ p ⎠ j ⎠ ⎝ p ⎝ j ⎝ j n i ⎛ ∂Ti ∂Ti T ⎞⎟ ∂L ⎜ Ji q& k (7.26) ta cã : = ∑∑ Tr ∂q& p i =1 k =1 ⎜⎝ ∂qk ∂q p ⎟⎠ Cịng ®Ĩ ý r»ng : Ti(q1, q2, , qi), với qi biến khớp i khớp Do Ti vậy, i < p th× = ∂q p ⎞ ⎟q& k ⎟ ⎠ n i ⎛ ∂T ∂T T ∂L = ∑∑ Tr ⎜ i J i i ∂q& p i = p k =1 ⎜⎝ ∂qk ∂q p Cuèi cïng ta cã : (7.27) LÊy vi ph©n theo thêi gian t phơng trình : T T T d ∂L d n i = ∑∑ Tr⎜ i J i i dt ∂q& p dt i = p k =1 ⎜⎝ ∂qk ∂q p n i ⎛ ∂T ∂T T = ∑∑ Tr ⎜ i J i i ⎜ ∂q ∂q p i = p k =1 ⎝ k ⎞ ⎟ q& k ⎟ ⎠ T ⎤ n i i ⎡ ⎞ ⎟ q&&k + ∑∑∑ Tr ⎢ ∂ Ti J i ∂Ti ⎥ q& k q& m + ⎟ ∂q p ⎦⎥ i = p k =1 m =1 ⎣⎢ ∂qk ∂qm ⎠ n i i ⎡ ∂ 2Ti ∂T T ⎤ J i i ⎥ q& k q& m + ∑∑∑ Tr ⎢ ∂qk ⎥⎦ i = p k =1 m =1 ⎢⎣ ∂q p ∂qm (7.28) (Biến đổi theo ý (7.25)) Số hạng cuối phơng trình Lagrange Euler : 2Ti ∂T T ∂L n i i Ji i = ∑∑∑ Tr⎜ ∂q p i = p j =1 k =1 ⎜⎝ ∂q j ∂q p ∂qk + ⎞ ⎟ q& j q& k + ⎟ ⎠ ⎛ ∂ 2Ti ∂Ti T n i i ⎜ Tr J ∑∑∑ i i =1 j =1 k =1 ⎜⎝ ∂qk ∂q p ∂q j Cuèi cïng ta cã lùc tổng quát khâu p : n q& j q& k + ∑ mi g ∂Ti i ri ⎟ ∂q p i= p ⎠ Fp = (7.29) ∂L d ∂L − dt ∂q& p ∂q p Thay thÕ số p i thành i j, ta sÏ cã : j j n n ⎞ ⎡ ∂ 2T j ∂T jT ⎤ ∂T j j ⎟ q&&k + ∑∑∑ Tr ⎢ & & − J q q m m g rj ⎥ ∑ k j j ⎟ ∂ ∂ ∂ q q q q ∂ = = = = j i j i k m i i k m ⎠ ⎣ ⎦ (7.30) Víi mét robot cã n bËc tù th× : j n ⎛ ∂T j ∂T jT Fi = ∑∑ Tr ⎜⎜ Jj ∂qi j =i k =1 ⎝ ∂qk TS Phạm Đăng Phớc 91 Robot công nghiệp q = [q1, q2, ,qn]T q& = [q& , q& , , q& n ] T F = F[F1, F2, , Fn]T §Ĩ cho gän, ta biĨu diƠn : F = J ( q) q&& + C ( q, q& ) q& + G ( q) (7.31) Trong ®ã : J thĨ hiƯn tác dụng quán tính, ma trận đối xøng (n x n); C thĨ hiƯn t¸c dơng cđa lực ly tâm Cariolis, vectơ (n x 1); G thĨ hiƯn t¸c dơng cđa lùc träng tr−êng, vectơ (n x 1) Đây phơng trình động lực học robot Nếu thêm vào phơng trình tác dụng khác nh : FEX đặc trng cho ngoại lực tác dụng lên trục, V đặc trng cho hiệu ứng ma sát, ta có : F = J ( q) q&& + C ( q, q& ) q& + G ( q) + V ( q& ) + FEX TS Phạm Đăng Phớc (7.32) ... vËt sản xuất nông nghiệp - Chế phẩm vi sinh vật không gây hại đến sức khỏe ngời, vật nuôi trồng Không gây ô nhiễm môi trờng sinh th¸i - ChÕ phÈm vi sinh vËt cã t¸c dụng cân hệ vi sinh vật môi. .. phẩm vi? ??c làm cần thiết công nghệ vi sinh Sinh khối (vật chất tế bào) Vi? ??c tổng hợp sinh khối tế bào trình thực để sản xuất protein vi sinh vật Quá trình thực chất trình sinh trởng vi sinh vật. .. nông nghiệp xử lý ô nhiễm môi trờng đợc biên soạn với mục đích trang bị cho sinh vi? ?n khối Nông - Lâm nghiệp nói chung, đặc biệt sinh vi? ?n ngành Cây trồng, Nông hoá - Thổ nhỡng, Bảo vệ thực vật,