5.4 活塞流反应器( PFR)
PFR是一类细长的反应器的抽象
反应液在 PFR中以平稳、等速、不受干扰的
方式流动,其特征为:
? 在流动方向上,不存在“返混”
? 反应液各质点在 PFR中的停留时间是一致的
? 垂直于流动方向的同一截面上的反应液的物、
化特性不随时间变化
5.4.1 PFR的反应时间的表达式
对 PFR中取微体积元 dV进行底物的物料平衡,


?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
质量速率
消耗底物的
内反应在
速率
底物质量
的输出
速率
底物质量
的输入 RRR dVdVdV
A dl
dt
dCdl
dl
dCCAuA uC SS
SS ???
??
?
???
?
??
?
? ??
消耗
式中 A—— PFR的截面积
u—— 流速
dl—— PFR的长度 L的微长度
反应时间
uLt P F R /?
dludt PFR 1?
代入底物的物料平衡式并整理,有
代入边界条件,积分有
时,
时,
P F RSS dtVdC ??
00 ??lPFRt 0SS CC ?
PFRLlPFR tt ?? SS
CC ?
??
?
?
?
?
?
?
??
0
0
S
S
S
S
C
C
S
S
C
C
S
S
P F R
V
dC
dt
dC
dC
t
消耗
5.4.2 在 PFR中的均相酶促反应方程
设酶促反应符合 M-M方程,有
令转化率
??
?
?
??
00
m a x
S
S
S
S
C
C
Sm
S
S
C
C
S
S
PFR
CK
CV
dC
V
dC
t
? ? ??
?
?
???
?????
S
S
mSSP F R C
CKCCVt 0
0ma x ln
0
1
S
S
S C
CX ??

比较 BSTR的均相酶促反应方程,两者的形式是
完全一样的,因而断言 PFR与 BSTR的反应特征是
相同的。
? ?SmSSPFR XKXCVt ????? 1ln0m a x
在 PFR内
? 对竞争性抑制的酶促反应,有
? 非竞争性抑制的酶促反应,有
? ?S
I
S
m
I
m
SSPFR XK
CK
K
KXCVt ?
???
?
???
? ??
???
?
???
? ???? 1ln11 0
0ma x
? ?
S
I
S
m
I
SS
S
I
m
I
S
SSPFR
X
K
C
K
K
XX
C
K
K
K
C
XCVt
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?????
1ln1
2
2
1
0
2
2
0
0
0m a x
? 对高浓度底物抑制的酶促反应,有
? ? ? ?
Sm
SI
SSS
SSPFR XKK
XXCXCVt ??????? 1ln
2
2 220
0ma x
5.4.3 在 PFR中的固定化酶促反应方程
固定化酶在 PFR内的反应液相占的体积分率
为 eL,则固定化酶相所占的体积分率为 ( 1- eL),
酶促反应应该发生在载体固相, 考虑到载体内扩
散的影响的因素有底物在 PFR中的反应速率为
,则反应时间
当反应为酶促本征反应限制时 h=1,有
? ? SL V??? he1
??? 01 1 S
S
C
C S
S
L
PFR V
dCt
he
? ? ? ?SmSSLPFR XKXCVt ?????? 1ln1 0m a x e
当 CS0/Km=远小于 1时,固定化酶为球形,有
? ?
? ?
? ? ??
?
?
?
?
??
?
??
111
m a x
3
1
3
11
1
1ln
???
e
th
V
XK
t
L
Sm
PFR
5.4.4 在 PFR中的细胞反应方程
? PFR无返混 —— 必须不间断地接种 —— 否则
细胞将被“冲出”
? 对 PFR—— 反应速率 V不得为零 —— 细胞反
应 —— 经历延滞期等细胞反应速率为零的阶段
—— 一般不单独使用 PFR进行细胞反应
带有循环的细胞反应的 PFR
进入 PFR的底物浓度 CSI可由进入反应体系的底物、
循环回的底物进行物料平衡求取,即
SISES CrFCFrCF ??????? )1(0
反应时间为
因为
r
CrCC SES
SI ?
???
1
0
? ?
?
?? r
rCC
C S
S
P F R
SES
SE V
dCrt 10)1(
X
SS
S
SX
X
SX
S CCK
C
Y
V
Y
V
?
??? m a x
//
11 ?
)( 0/0 SSSXXX CCYCC ???
其中 CX0=0,则 积分得
带有循环的细胞反应的 PFR的反应时间 tPFR是
关于循环比 r和反应体系出口的底物浓度的函数。
?
?
?
?
?
? ??
?
?????
r
r
Cr
CrC
C
Krt
SE
SES
S
S
PFR
1lnln)1( 0
0
ma x?
5.4.5 在 PFR中的细胞热死灭方程
设在 PFR内的灭菌温度为恒定的,则在 PFR
的微体积元内的热死灭的细胞质量平衡为

???
?
???
?
???
?
?
???
?
???
?
?
???
?
灭的细胞量
内热死在
的活细胞量
中离开
的活细胞量
中进入 dVdVdV
A d lCkdldldCCFFC XdXXX ????? )(
整理并积分有
式中 td—— 灭菌时间, min
kd—— 灭菌速度常数, 1/min
CX—— 活细胞量, g biomass/L,cells/L,cells/
反应体系
?? ??? LdCC
X
X dl
F
Ak
C
dCX
X 00
???
?
???
???
0
ln1
X
X
d
d C
C
k
t
上式为活细胞热死灭的对数残留率,由而也
说明 PFR与 BSTR的反应特征是相同的。
5.5 理想反应器的比较
5.5.1 多级串联的 CSTR与 PFR的关系
CSTR与 PFR反应之间的联系
单级 CSTR 多级串联 CSTR PFR
1← n n→∞
? n=1时,多级串联 CSTR为单级 CSTR
? n= ∞时,多级串联 CSTR为 PFR
根据多级串联的 CSTR的酶促反应的底物浓
度与反应时间的关系式,第 1级 CSTR的底物浓度
与反应时间的关系为
……
第 n级 CSTR的底物浓度与反应时间的关系为
其中
1011 SSS CCtV ???
SnSnnSn CCtV ??? ? 1
Snm
Sna m x
Sn CK
CVV
?
??
对于 VR1= VR2=…= VRn的串联 CSTR体系
因为反应时间
,, ……

式中 tT—— 反应液在串联的多级 CSTR中的总的
平均停留时间
对 CS0远小于 Km的酶促反应 ( 一级反应 ),
因 CSi皆小于 CS0,有
F
Vt R1
1 ? F
Vt R 2
2 ?
F
Vt Rn
n ?
n
ttttt T
n ????? ?21
所以
Sna m xSn
Sa m xS
Sa m xS
CVV
CVV
CVV
??
??
??
?
22
11
tVC
C
tVC
C
tVC
C
a m xSn
Sn
a m xS
S
a m xS
S
??
?
??
?
??
?
?
1
1
1
1
1
1
1
1
2
0
1
?
? ? ? ?
? ? ? ?
n
a m x
n
a m xSn
Sn
a m xS
Sn
a m xS
Sn
S
Sn
tVtVC
C
tVC
C
tVC
C
C
C
??
?
??
??
??
?
??
?
1
1
1
11
2
210
?
当 n→∞ 时
)1(lnln m a x
0
tVn
C
C
S
Sn ???
T
T
T
n
T
n
T
n
tV
n
n
n
t
V
tV
n
n
t
V
n
t
Vn
???
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
????
m a x
2
2
m a x
m a x
m a x
m a x
1
1
1
lim
1
1ln
lim1lnlim

上式符合 PFR的一级反应的特征。类似地对
上式的 Vmax用细胞热死灭的速度常数 kd替换,底
物浓度 CSi用活细胞量速度常数 CXi替换,也可得
到当反应级数 n趋于无穷大时,多级串联 CSTR即
为 PFR的结论。
T
S
Sn tV
C
C ???
m a x
0
ln
5.5.2 PFR与单级 CSTR的用酶促反应的比较
( 1) 单级 CSTR与 PFR的酶促反应时间比较
将 PFR的酶促反应方程改写为
CSTR的酶促反应方程改写为
在一定的 CS0/Km下,以转化率 XS对反应液的
停留时间 t作图
? ?SmSSEPF R XKXCCkt ?????? ? 1ln002
S
S
mSSEC S T R X
XKXCCkt
?
??????
1002
μè C
S 0
/ K
m
?? C S T R oí FPR μ? ×a ?ˉ ?ê X
S
ó?
·′ ó| ê±?? t 1? ?μ
0
10
20
30
40
50
60
70
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
×a ?ˉ ?ê X
S
·

ó|
ê±??
t
CS T R FPR
C
S 0
/ K
m
= 1 0
C
S 0
/ K
m
= 1 0 0
? 无抑制酶促反应,采用 PFR有利于缩短反
应时间,提高反应效率。
? 反应的转化率越高,tPFR与 tCSTR,的差异
越大
? ?
S
S
mSS
SmSS
C S T R
PFR
X
X
KXC
XKXC
t
t
?
??
???
?
1
1ln
0
0
?ú μè C
S 0
/ K m ?? μ? t
FPR
/t
C S T R
ó? X
S
μ? 1? ?μ
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
X
S
t
FPR
/t
C
ST
R
100
10
1
C
S 0
/ K
m
= 0,1
( 2) PFR与单级 CSTR的酶促反应器有效体
积的比较
将 PFR的酶促反应方程改写为
CSTR的酶促反应方程改写为
? ?SmSSEP F RR XKXCCkFV ?????? 1ln002,
S
S
mSSE
C S T RR
X
XKXCCk
F
V
?
?????
1002
,
? 对无抑制的酶促反应采用 PFR有利于缩小反应
器的容积。
( 3)单级 CSTR与 PFR的酶促反应的用酶量
的比较
当 tPFR=tCSTR时,有 无抑制的酶促反应
? ?SmSS
S
S
mSS
P F RE
C S T RE
XKXC
X
X
KXC
C
C
???
?
??
?
1ln
1
0
0
,0
,0
?ú μè C
S 0
/ K m ?? μ? t
FPR
/t
C S T R
ó? X
S
μ? 1? ?μ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.6 0.7 0.8 0.9 1
X
S
C
E
0,
C
ST
R
/C
E
0,
PFR
100
10
1
C
S 0
/ K
m
= 0,1
? 转化率 XS越高,CS0/Km越低,需酶量 CE0,CSTR
与 CE0,PFR的差异越大
例如当 XS=0.95,CS0/Km=1时,CE0,CSTR是
CE0,PFR的 5.1倍。
( 4) PFR与单级 CSTR的酶促反应的产物浓
度的比较
( 1)、( 2)、( 3)的结论适用于( 4)
( 5) PFR与单级 CSTR的酶促反应的抑制效
应的比较
对 PFR高浓度底物抑制的酶促反应方程可改
写为
对 CSTR高浓度底物抑制的酶促反应方程可
改写为
? ?
? ?
SI
SSS
SmSSE
P F RR
K
XXC
XKXCCk
F
V
2
2
1ln
22
0
002
,
?
?
??????
? ?
SI
SSS
S
S
mSSE
C S T RR
K
XXC
X
X
KXCCk
F
V
22
0
002
,
1
?
?
?
????
?
1
11
21
31
41
51
61
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
X
S
F
C
S
T
R
/
F
P
F
T
? PFR受 高浓度底物抑制效应的影响要大于
CSTR
对于 PFR或多级串联的 CSTR可通过多点进料
液的方式缓解高浓度底物抑制效应。
PFR竞争性抑制的酶促反应方程可改写为
? ?
Sm
I
S
I
m
I
S
SSE
P F RR
XK
K
C
K
K
K
C
XCCk
F
V
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
?????
?
1ln1
1
0
0
002
,
对 CSTR竞争性抑制的酶促反应方程可改写

S
SS
I
m
S
S
mSSE
C S T RR
X
XC
K
K
X
X
KXCCk
F
V
?
?
?
?
????
?
1
1
2
0
002
,
对 PFR非竞争性抑制的酶促反应方程可改写

? ?
? ?
I
SSS
Sm
I
S
I
m
SSE
PFR
R
K
XXC
XK
K
C
K
K
XCCk
F
V
2
2
1ln1
1
22
0
0
002
,
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
????
?
对 CSTR非竞争性抑制的酶促反应方程可改写为
I
SS
S
SS
I
m
S
S
mSSE
C S T R
R
K
XC
X
XC
K
K
X
X
KXCCk
F
V
22
0
2
0
002
,
1
1
?
?
?
?
?
?
????
?
? 非竞争性抑制比竞争性抑制具有更大的影响
? 反应时间长;
? 用酶量大。
? 当产物抑制时(特别是产物抑制符合非竞争性
抑制时),由于 CSTR的产物浓度较 PFR的分布高
得多,因而对 CSTR的影响较 PFR要大
? 达到相同的反应效果时,CSTR的体积较
PFR要大
? CSTR的体积较 PFR用酶量要大