Двухстадийным хемостатом называют два последовательно соединенных аппарата непрерывного культивирования, при котором среда, выходящая из первого аппарата, поступает во второй. Кроме того, имеется дополнительная подпитка свежим субстратом во втором аппарате. Схема двухстадийного хемостата представлена на рис. 9.15.
Рис. 9.15. Схема потоков в двухстадийном хемостате
В общем случае объемы двух аппаратов V1 и V2 различны.
Нет смысла анализировать первый по ходу потока аппарат – у него все так же, как в одностадийном хемостате.
Для второго аппарата балансовые уравнения выглядят иначе:
(9.73) 
(9.74)
где V2 – объем культуральной жидкости во втором ферментере;
F2 – объемная скорость подачи свежей среды во второй ферментер;
X2 – концентрация биомассы во втором ферментере;
S2 – концентрация субстрата во втором ферментере;
F1 – объемная скорость подачи культуральной жидкости из первого ферментера;
X1 – концентрация биомассы в первом ферментере;
S1 – концентрация субстрата в первом ферментере;
μ2 – удельная скорость роста микроорганизмов во втором ферментере.
Примем обозначения:
D12 = F1/V2; (9.75) D22 = F2/V2; (9.76)
(9.77) D1 = F1/V1. (9.78)
Для стационарного состояния
(9
.79) 
(9.80)
Подставляя обозначения, получаем:
D12X1 + μ2Χ2 – D2X2 = 0; (9.81) 
(9.82)
Отсюда
(9.83) 
(9.84)
С другой стороны,
(9.85) и
(9.86)
В случае, когда подпитки во второй аппарат нет, т. е. F2 = 0 и D22 = 0, можно найти соотношение между S2 и S1:
(9.87)
Тогда
D2 = D12, так как F2 = 0 (9.88)
Отсюда
(9.89)
Обратим внимание на следующие особенности двухстадийного хемостата:
1. Удельная скорость роста биомассы во втором аппарате не равна скорости разбавления, как в одностадийном хемостате, а меньше ее.
Следовательно, концентрация биомассы во втором аппарате никогда не может стать равной нулю при любом разбавлении.
Задавая высокую скорость разбавления во втором аппарате D2, можно не беспокоиться, что произойдет вымывание культуры. Значение μ2 будет возрастать, и будет возрастать экономический коэффициент YXS.
2. Концентрация субстрата во втором аппарате всегда меньше, чем в первом. Это ясно и из физических соображений: для дополнительного прироста биомассы требуется субстрат, который расходуется из запаса, имеющегося во входящем потоке.
Это очень важная характеристика объекта. Часто бывает не так важна производительность процесса по биомассе, как снижение концентрации остаточного субстрата. Пример: выращивание кормовых дрожжей на парафинах нефти. Остаточный субстрат вместе с биомассой идет в кормовой продукт, но то, что хорошо для микроорганизмов, – не всегда хорошо для животных. Или возьмем систему очистки стоков. Здесь остаточная концентрация субстрата, ее снижение – цель всего процесса.
3. Концентрация биомассы во втором аппарате всегда больше, чем в первом, что также очевидно. Ведь уже существующая в первом аппарате биомасса Х1 проходит через второй аппарат транзитом, а к ней добавляется приросшая в нем биомасса.
4. Общая продуктивность двухстадийного хемостата не превышает суммарной продуктивности эквивалентной по объему системы из двух параллельно работающих одностадийных хемостатов. Но при этом больше концентрация биомассы в выходном потоке, что облегчает выделение и концентрирование биомассы. И другая особенность, о которой мы уже говорили: снижается остаточная концентрация субстрата.
5. Важная особенность двухстадийного и многостадийного хемостатов: последующие аппараты должны быть более интенсивными по массопередаче кислорода, так как они «обслуживают» большую концентрацию биомассы.
6. И наконец, двухстадийный хемостат часто оказывается удобным для тех процессов, в которых целевым продуктом является не биомасса, а продукт метаболизма.
Обычно для оптимального протекания процессов биосинтеза продуктов метаболизма требуются условия, отличающиеся от фазы роста микроорганизмов: более низкая скорость протока, меньшая концентрация в среде лимитирующего субстрата.
В этом случае в первом аппарате поддерживают условия, оптимальные для роста микроорганизмов, а во втором – для биосинтеза продуктов метаболизма.
