Одним из недостатков хемостата является его склонность к вымыванию культуры. Действительно, для получения высокой производительности необходимо работать при оптимальной скорости разбавления D_ОПТ, близкой к критической D_KP таких условиях при случайном уменьшении концентрации субстрата на входе или неточном задании протока D может начаться необратимое вымывание культуры из аппарата.

Для борьбы с этим явлением предложено использовать комплекс «ферментер–сепаратор» (рис. 9.14). В этом комплексе выходящая из ферментера жидкость сгущается на сепараторе, и часть сгущенного потока непрерывно возвращается в ферментер, остальная часть идет как товарный продукт. Осветленная жидкость сбрасывается в стоки.

Свежая среда поступает с расходом F₀ и концентрацией субстрата S₀ в ферментер с объемом рабочей жидкости V, где концентрации биомассы X и субстрата S и удельная скорость роста μ одинаковы в каждой его точке. Из-за рециркуляции жидкости из сепаратора (которую рассмотрим позже) поток из ферментера больше, чем входной; он равен Fc концентрацией биомассы X

Рис. 9.14. Схема потоков в хемостате с рециркуляцией биомассы клеток:
1 – ферментер; 2 – сепаратор

На сепараторе биомасса сгущается в Ь раз, т. е. ее концентрация X_c в выходном потоке равна ЬХ. Концентрация же субстрата при этом не меняется и составляет S. Из сепаратора выходят два потока: один – сгущенная биомасса с расходом F_c, второй – осветленная или отработанная жидкость с практически нулевой концентрацией биомассы. При этом расход отработанной жидкости составит (F – F_c) с концентрацией субстрата S.

Материальный баланс биомассы в сепараторе позволяет найти связь между F_c и F:
 (9.56)

Поток сгущенной жидкости после сепаратора раздваивается. Часть его возвращается в ферментер с расходом F_p, концентрацией биомассы ЬХ и субстрата S;
F_P = αF₀, (9.57)

где α – коэффициент рециркуляции, причем 0 ≤ α ≤ 1.

Выходящий поток из системы F_ВЫХ равен:
F_ВЫХ = F_c- F_p. (9.58)

С учетом (9.56) и (9.57) получаем:
 (9 59)

Поскольку по определению
X_c = ЬХ, (9.60)

производительность комплекса «ферментер–сепаратор» равна:
Q_КОМПЛ = X_cF_ВЫХ = 0 + (1 +α – αb)F₀X (9.61)

Составляем материальный баланс по субстрату:
 (9.62)

Принимая для стационарного состояния dS/dt = 0, получаем:
 (9.63)

Материальный баланс биомассы в ферментере в стационарном состоянии:
F_pX_c – FX + VμΧ = 0. (9.64)

Поскольку
F= F₀ +F_p (9.65)

и скорость разбавления D равна
D = F₀/V, (9.66)

из уравнений (9.64), (9.57), (9.60), (9.65) и (9.66) можно найти выражение для роста в ферментере:
μ = (1 + α – αb)D. (9.67)

Поскольку b > 1 по определению, в данной системе удельная скорость роста микроорганизмов меньше скорости разбавления D (в одиночном хемостате эти величины равны).

Совместное решение уравнений (9.63) и (9.67) дает выражение для концентрации биомассы:
xJxs^-S)        (968)

Поскольку b > 1, концентрация биомассы при рециркуляции в ферментер выше, чем в обычном хемостате (при α = 0) и той же концентрации субстрата в исходной среде.

Подставляя выражение (9.68) для ArB уравнение (9.61), получаем:
Q_компл = Y_XSF₀(S₀ – S). (9.69)

Связь концентрации субстрата в ферментере со скоростью разбавления можно определить исходя из уравнения Моно:
 (9.70)
откуда
 (9.71)
Подставляя в это выражение соотношение (9.67) для μ, получаем:

 (9.72)

Из (9.72) следует, что при работе комплекса «ферментер–сепаратор» концентрация субстрата на выходе из ферментера S уменьшается по сравнению с обычным хемостатом (при α производительность системы по биомассе Q_компл при этом увеличивается.

Отсюда вытекают основные направления использования рассматриваемого комплекса:

• повышение производительности системы непрерывного культивирования, если этого невозможно достичь просто за счет повышения исходной концентрации субстрата S₀, например при очистке сточных вод или утилизации малоконцентрированных растворов субстрата;
• более полное потребление из среды субстрата.