Несколько слов о случае, когда режимным параметром является концентрация субстрата. Если в начале процесса задать в среде концентрацию субстрата Sx, оптимальную для роста биомассы, то по мере роста биомассы концентрация субстрата снизится и для поддержания ее на оптимальном уровне нужно будет добавлять субстрат, т. е. осуществлять подпитку уже в первой фазе процесса.

Если же зависимость μ(S) имеет насыщение (подобно уравнениям Моно, Мозера и др.), то концентрацию S0 можно сразу задать побольше в пределах плато, где влияние субстрата на скорость роста биомассы невелико или вообще отсутствует (рис. 10.10).

Рис. 10.10. Выбор диапазона регулирования
концентрации субстрата при наличии плато
на кинетической зависимости

Пока концентрация субстрата не снизится до величины S_кр, подпитку можно не производить.

Важно отметить, что трудно провести регулирование концентрации субстрата при необходимости резкого переключения на новое, более низкое ее значение. Изъять субстрат из среды нельзя. Приходится предоставить дело естественному ходу вещей, т. е. потреблению субстрата из среды без какого- либо внешнего регулирования (рис. 10.11). Это, конечно, не дает строго ступенчатой программы. Но мы не должны забывать, что эта ступенчатая программа – квазиоптимальная, так что плавное снижение концентрации субстрата для процесса, может быть, даже ближе к истинной оптимальной программе. При этом возможно, что начальной концентрации субстрата S₀ может вообще хватить до момента перехода на второй участок процесса.

Рис. 10.11. Поддержание квазиоптимального профиля концентрации
субстрата с ис пользованием подпитки

Если же зависимость μ(S) имеет экстремум (например, уравнение Андрюса), то требуется подпитка субстрата с самого начала процесса для поддержания его на уровне S_X.

Реально добавление субстрата обычно идет не непрерывно, а некоторыми дозами, так что концентрация субстрата в аппарате во времени имеет пилообразный характер (рис. 10.12).

Рис. 10.12. Поддержание квазиоптимального профиля
при дробном дозировании субстрата

Немного не доходя до точки переключения t_п, прекращают подачу субстрата, и он самопроизвольно потребляется до концентрации S_p, оптимальной для биосинтеза продукта. Далее концентрацию субстрата поддерживают на этом уровне с помощью подпиток субстратом, обычно с меньшей скоростью.

Хотя задачей регулирования является поддержание заданной концентрации субстрата, а не скорости подпитки, практически получается, что скорость подпитки и возрастает во времени по экспоненте. И концентрация биомассы возрастает по экспоненте из-за почти постоянной удельной скорости роста при постоянной величине S. Такие культуры часто называют «расширенными» или «экспоненциальными», в них фаза биосинтеза продлевается по сравнению со строго периодическими процессами без подпитки субстратом.

Мы уже упоминали, что концентрация субстрата – довольно неудобный параметр для непрерывного измерения. Поэтому в процессах с подпиткой распространены косвенные методы управления. Здесь можно отметить следующие варианты.

1. Заранее рассчитывается программа u(t) изменения подпитки во времени, и субстрат подается в аппарат без информации о том, с какой скоростью его потребляет культура. Это может привести как к избытку, так и к недостатку субстрата в среде.

2. Субстрат подается по одному из косвенных параметров, связанных с ростом культуры. Это может быть величина рН, концентрация растворенного кислорода или интенсивность дыхания (подобно тому, как это делалось в рН-стате, оксистате и респиростате в непрерывных процессах).

Лучше всего, конечно, регулировать саму концентрацию субстрата, но об этом можно только мечтать.

Процесс с подпиткой субстратом не может продолжаться сколь угодно долго – в конце концов объем жидкости в аппарате возрастает, что не дает возможности продолжать подпитку.

В этом случае переходят к процессу с чередованием отбора части жидкости из аппарата с продолжением подпитки между отборами. Такой процесс называется процессом ферментации с повторяющимися подпитками (repeated fed-batch) и отличается от отъемно-доливного тем, что после отбора жидкости из аппарата не происходит долива свежей среды, а только продолжается прерванная подпитка одним из субстратов. Но и этот способ не решает всех проблем. В конце концов в среде накапливаются ингибирующие продукты метаболизма, и процесс останавливается. Возможна также нехватка ростового субстрата, отсутствующего в подпитке.