流加培養
しかし、菌体濃度が時間的に変化するかどうかは、微生物の増殖の程度と流加液中の水による培養液の希釈の程度の大小によって決まるので、微生物の置かれている環境の状態からすると、直線増殖期では、非定常状態にあると言える。基質濃度s [単位はg/L] は指数増殖から直線増殖へ移行する時点できわめて急激に(数百分の一に)減少し、直線増殖期においては、sは基質飽和定数Ks [単位はg/L] より低いところでゆるやかに減少しその値はKsにはよらない。
4.2 指数的流加法
微生物の増殖は理想的には時間に関して指数関数的であり、ケモスタッドでは流量によって希釈率を制御し、比増殖速度 μ [単位は1/h] を一定に保っている。よって、流加操作によっても μ を一定に保つように基質濃度、s を制御できるはずである。 流量を培養時間に関して指数関数的に増加させることになるので、このタイプの流加操作は指数的流加法 (Exponentially fed-batch culture, EFBC) と呼ばれ、この流加方式に関する数学的解析および実験的研究がある。
ここで、流加液の体積流量をfvol [単位はL/h]、流加液の中の基質濃度をsin [単位はg/L]、培養液中の流加基質濃度をs [単位はg/L]、菌体収率をYx/s [単位はg乾燥菌体/g基質]、最大比増殖速度をμmax [単位は1/h]、指数関数的に増加させる際の指数をk [単位は1/h] 、培養時間をt [単位はh]、とすると、一般に、 s ≪ s i n {\displaystyle s\ll s_{in}} であるから、
流加培養とは、微生物または動物や植物の細胞をバイオリアクター(培養槽)で液体培養する際に、培養中ある特定の基質(栄養源、培地成分)をバイオリアクターへ供給するが、培養ブロス(菌体、細胞と培養液)は収穫時までバイオリアクターから抜きとらないような培養法である。。流加基質としては、1成分または2成分以上でも、あるいは総ての栄養源を含む培地でもよい。
この特性から考えると、本質的には回分培養(かいぶんばいよう)(バッチ培養)であり、その1つの変形とみなされよう。英語ではFed-batch cultureまたはsemi-batch cultureと呼ばれ, extended culture という言葉も以前は用いられた。ドイツ語では, Zulaufsverfahren と呼ばれている。これらの呼称のうち, 半回分(はんかいぶん)semi-batchという言葉は、反応工学では既に確立した用語となっているが、微生物反応の半回分操作においては、供給される基質は微生物に摂取される栄養物質である場合が多いので, fed-batchという言葉が一番適切であろう。事実、多くの英文の報文や総説でこの専門用語が用いられている。
オン・オフ的に流加することが多く、微生物は基質に関して半飢餓状態とそうでない状態とに交互に頻繁にさらされる。
RQを制御指標とする方式は、パン酵母製造において提案されており、炭酸ガス生成速度と酸素消費速度とを実測し、両者の比RQを1.0より少し高い水準に保って糖濃度を低レベルに抑え、その結果、副産物であるエタノール生成を減少させる。発酵槽入口、出口のO2とCO2の分圧を正確に実測し、それらのデータをコンピュータに入力し、物質収支式からRQを計算し、糖蜜の流加を制御している。pHを制御指標とする方式では、発酵の進行とともに培地成分が消費され、pHが設定値からずれる(通常減少する)現象を利用する。あるいは、酢酸のようにそれ自身pHの変化をきたす基質の流加に応用される。この制御方式では、無機塩を主体とした合成培地であることが望ましい。 代謝産物濃度を制御指標とする方式は、代謝産物は副産物であり、できるだけその生成を抑えたい場合に利用できる。パン酵母生産におけるエタノールがそのよい例である。 最後に、特異な制御方式として、細胞内に存在するNADHの蛍光を利用する方法がある。
直接的フィードバックのある場合: 培養液中の流加基質濃度を連続的、あるいは間欠的に測定し、その値を制御指標とする方法である。もし、基質が揮発性で、廃気ガス中の分圧と培養液中の濃度とがほぼ平衡にあれば、培養液から抜け出た直後のガスの分圧が制御指標に使える。
どのようなフィードバック制御を適用するにしても、いかなる情報をコンピュータに入力し、どのような情報処理をしてどのようなソフトウェアを用いて基質の流加を最適化するか、が重要である。