Мы рассматривали различные способы хемостатного непрерывного культивирования, в котором регулировался только поток свежей питательной среды, а стабилизация параметров процесса осуществлялась за счет саморегулирования. Такой способ регулирования имеет определенные пределы и при колебаниях концентрации субстрата на входе, характеристик культуры и самого подаваемого потока может приводить либо к новому установившемуся состоянию, либо даже к полному вымыванию культуры из аппарата. Как альтернатива хемостату предложены различные варианты непрерывного процесса ферментации с внешним контуром регулирования процесса. Рассмотрим варианты таких процессов.

Турбидостат. Скорость разбавления в аппарате не поддерживается на постоянном уровне, а регулируется в зависимости от концентрации биомассы (рис. 9.19). Если концентрация биомассы начинает уменьшаться, скорость разбавления снижается, и наоборот. Один из способов измерения концентрации биомассы – определение степени поглощения светового потока суспензией. Такой способ называется турбидиметрическим. Отсюда и название «турбидостат». Правда, турбидиметрический способ измерения для высоких концентраций биомассы, для сред окрашенных или с включениями твердых частиц типа муки работает плохо. Но турбидостатом называют процесс, где регулируется концентрация биомассы, каким бы образом она ни измерялась.

Рис. 9.19. Схема процесса непрерывного культивирования микроорганизмов с внешним контуром регулирования подачи субстрата по концентрации биомассы:
1 – ферментер; 2 – регулирующий клаТган или насос-дозатор; 3 – регулятор; 4 – датчик концентрации биомассы

Респиростат. Уже говорилось о том, что с помощью газоанализаторов кислорода или углекислого газа можно измерять интенсивность дыхания культуры. Эта величина, следуя уравнению материального баланса, пропорциональна росту, образованию продукта и поддержанию жизнедеятельности:

 (9.93)

Из этого соотношения видно, что Q_CO2 пропорциональна концентрации биомассы. Поэтому, регулируя интенсивность дыхания, можно регулировать и концентрацию биомассы, а следовательно, скорость подачи субстрата.

На рис. 9.20 представлена зависимость Q_CO2 от скорости разбавления. Анализируя ее, можно предложить способ управления. Задается определенная величина интенсивности дыхания, близкая к максимальной, на левой или правой ветви кривой. В зависимости от этого и закон регулирования будет различен: при снижении интенсивности дыхания в точке D1 величину D надо повышать, а в точке D₂ – понижать, чтобы сохранить Q_CO2 на заданном уровне. Поскольку «дыхание» по-английски – respiration, такой способ называют респиростатом.

Рис. 9.20. Зависимость интенсивности дыхания в процессе непрерывного культивирования от скорости разбавления

Еще лучше не поддерживать дыхание на постоянном уровне, а все время искать скорость разбавления, обеспечивающую его максимум. Этот алгоритм управления легко реализуется с помощью современных систем автоматизации.

Оксистат. В этом способе регулирования подачу питательной среды в аппарат (скорость разбавления) осуществляют таким образом, чтобы поддерживать постоянное, относительно малое значение концентрации растворенного кислорода в среде.

Скорость потребления кислорода Q_O2 пропорциональна сумме его затрат на рост биомассы, образование продукта и поддержание жизнедеятельности культуры:
 (9.94)

Поддерживая Q_O2 на максимально возможном уровне, максимизируем производительность процесса.

Величина Q_O2 связана с концентрацией растворенного кислорода соотношением:
Q_O2 = K_Lα(C* – С), (9.95)
где K_Lα – коэффициент массопередачи между газом и жидкостью, определяемый характеристиками аппарата; С* – концентрация растворенного кислорода при полном насыщении жидкости кислородом (она зависит от концентрации кислорода в воздухе, давления и свойств среды, определяющих растворимость кислорода).

Согласно этому уравнению максимальная величина Q_O2 имеет место при минимальной концентрации растворенного кислорода С. Однако не следует забывать, что, как всякий субстрат, растворенный кислород влияет на скорость роста биомассы и через него – на Q_O2, часто по зависимости Моно (рис. 9.21).

Рис. 9.21. Зависимость скорости роста и/или интенсивности
дыхания от концентрации растворенного кислорода

Форма этой зависимости такова, что при возрастании С скорость роста биомассы сначала увеличивается очень быстро, но выше некоторого значения С_кр, обозначаемого как «критическая» концентрация растворенного кислорода, скорость роста (и как следствие – скорость потребления кислорода) уже практически не зависит от величины С. Поэтому в таком способе и поддерживают концентрацию растворенного кислорода на уровне, близком к Скр.

Из уравнения (9.95) можно выразить величину Cb явном виде:
C = С* – Q_O2/K_Lα. (9.96)

Концентрация С* для обычных условий может считаться постоянной. Величиной K_Lα управляют, изменяя режимные параметры аэрации и перемешивания – расход воздуха, скорость вращения мешалки. Однако в случае оксистата этот способ воздействия на концентрацию кислорода не применяется. Коэффициент массо- передачи уже должен быть выведен на максимально возможный для данного аппарата уровень. Воздействие же на С осуществляется опосредованно – путем воздействия на скорость потребления кислорода Q_O2 за счет изменения скорости подачи свежей среды в аппарат. При этом изменяется и концентрация негазообразного субстрата S, соответствующим образом изменяя величины Q_X и Q_O2.

На рис. 9.22 представлена схема такого способа ведения непрерывного процесса ферментации, известного также как способ Господки (по фамилии ученого, предложившего его в начале 60-х годов XX в.). Называют его и оксистат, при этом в названии отражена его основная характеристика. Этот способ позволяет наилучшим образом использовать массообменные характеристики аппарата по кислороду.

Рис. 9.22. Схема процесса непрерывного культивирования
микроорганизмов с внешним контуром регулирования подачи
субстрата по концентрации растворенного кислорода в аппарате:
1 – ферментер; 2 – регулирующий клапан или насос-дозатор;
3 – регулятор; 4 – датчик растворенного кислорода

рН-стат. Рост микроорганизмов зачастую сопровождается выделением в среду некоторых кислот (закислением). Замедление же роста при недостатке субстрата вызывает, наоборот, защелачивание культуры, выражающееся в повышении рН. В некоторых процессах величина рН используется как параметр, в зависимости от которого в аппарат подается питательная среда. Скорость подачи при этом регулируется таким образом, чтобы величина рН поддерживалась на некотором постоянном уровне. Этот способ называют рН-стат. При этом, конечно, исключают регулирование рН другими способами – подачей в аппарат щелочи или кислоты.

Нутристат. В этом способе подача питательной среды в аппарат осуществляется так, чтобы поддерживать заданное значение концентрации субстрата S. Мы уже видели, что в хемостате специально следить за концентрацией субстрата не нужно – она устанавливается сама собой в зависимости от скорости разбавления:
 (9.97)

Другая ситуация возникает, когда удельная скорость роста μ зависит от концентрации субстрата S не по уравнению Моно, а, например, по уравнению Андрюса, т. е. когда функция μ(S) проходит через экстремум (рис. 9.23).

Рис.·9·23·Экстремальные зависимости роста микроорганизмов (μ) или биосинтеза продукта (q_p) от концентрации субстрата

Для обеспечения максимальной скорости роста в этом случае концентрацию субстрата необходимо поддерживать на некотором оптимальном уровне S_opt (S_X или S_p – в зависимости от цели культивирования) в неустойчивом диапазоне. На этом уровне самопроизвольно концентрация субстрата не установится – при колебаниях она «скатится» в меньшую или большую сторону. Точно так же трудно поддерживать необходимую концентрацию в зоне ингибирования роста, если эта повышенная концентрация способствует оптимальной скорости биосинтеза продукта метаболизма. Вот тут и помогает нутристат, из самого названия которого (nutrition по-английски – питание) понятно, что речь идет о поддержании концентрации питательного субстрата в аппарате на постоянном уровне. Этот способ имеет неудобство: необходимо непрерывно измерять концентрацию субстрата в аппарате, что не всегда просто осуществить.

Теплостат. Обычно в ходе процесса температура поддерживается на некотором постоянном уровне путем регулирования подачи охлаждающей воды в рубашку или змеевик аппарата. При увеличении теплового потока Q⁺_H повышается температура, регулятор увеличивает скорость подачи охлаждающей воды, увеличивается при этом также и скорость теплоотвода Q^–_H, что позволяет сохранить равновесие, т. е. равенство Q⁺_H и Q^–_H.

Скорость тепловыделения Q⁺_H обычно связана с ростом микроорганизмов. Зависимость Q⁺_H от температуры (рис. 9.24) подобна зависимости роста от температуры.

Рис. 9.24. Зависимость скорости тепловыделения Q⁺ и скорости отвода тепла Q^–_H в аппарате без внешнего контура регулирования температуры

Эта зависимость имеет пологий участок подъема, довольно острый экстремум и крутой ниспадающий участок при увеличении температуры выше оптимального уровня T_опт. В обычном процессе температуру поддерживают на уровне Т_опт. В теплостате же она самопроизвольно устанавливается на уровне T = Т_ТС, при котором скорость биологического тепловыделения равна скорости отвода тепла в окружающую среду.

При отсутствии внешнего контура регулирования температуры отвод тепла обеспечивается лишь самопроизвольными теплопотерями в окружающую среду:
Q^–_H = KF(T – T₀), (9.98)
где К– коэффициент теплопередачи; F- поверхность теплопередачи; T и T₀ – температура в аппарате и в окружающей среде соответственно.

На рис. 9.24 это уравнение представлено прямой, которая пересекается с кривой Q⁺_H(T) при T= T_ТС.

Из рисунка видно, что T_ТС > Т_опт. Хотя при этом процесс ферментации как-то идет (правда, медленно, с фактически постоянной скоростью роста), вряд ли стоит рекомендовать такой способ для использования. Гораздо проще (и точнее) регулировать обычным способом температуру на данном более высоком уровне, если вдруг по каким-то причинам при повышенных температурах выделяется некоторый ценный продукт.