生物工艺原理-微生物细胞群体生物化学反应过程的热力学和动力学

微生物细胞群体生物化学反应过程的热力学和动力学第六章本章内容

微生物细胞体系生化反应过程的热力学微生物细胞生化反应模式微生物细胞生化反应过程的代谢变化规律微生物生化反应过程的动力学发酵过程主要控制参数及自动控制发酵过程优化第一节微生物细胞体系生化反应过程的热力学

单个微生物细胞无菌条件下形成的群体为纯培养（遗传学上同一来源）个体细胞形态和生理上有差异，代时呈正态分布（非均匀性）。微生物群体是一个非均匀体系在自然界或人工培养条件下，微生物主要以未经分化的单细胞组成的群体形式存在。对微生物形态、生理和遗传特性的认识也主要来自对微生物群体的研究。对微生物产品的开发更是主要取决于对微生物群体作用的了解和控制。群体生长规律。

德国克劳修斯(R.E.Clausius)1850年发现的热力学第二定律指出，热不可能自发地由低温物体传向高温物体，也就是说，热力学系统的自发过程总是向有序性程度减少、无序程度增加（即熵增加）的方向发展。热力学第二定律的经典热力学表述是：在封闭体系及其所处的环境组成的孤立体系中，任何自发过程总是朝着越来越混乱的方向演化。热力学第二定律无法说明体系由无序到有序、由低级的有序到高级的有序的演化和发展的趋向。

1969年比利时普利高津（Prigogine）提出耗散结构理论。

耗散结构（dissipativestructure）是指一个远离平衡状态的开放体系，它可以是力学的、物理的、化学的、生物的系统，也可以是社会的经济系统。耗散结构与外界不断地进行物质和能量交换，当外界条件的变化达到一定的阈值时，可以从原有的无序或低序的混乱状态，转变为一种在时间、空间上或功能上的有序状态。

作为经典热力学（静态，孤立系统）理论的延伸，非平衡态热力学（动态，远离平衡状态的开放体系）研究的是耗散结构，这种结构只能在远离热力学平衡状态的开放体系生成，并且需要不断输入能量来维持。

微生物活细胞任何时刻都离不开它生存的环境，只有在与环境的交换中才能维持细胞结构和生命活动。如果微生物细胞是个封闭系统，那么根据熵增加原理，它们及它们所处的环境组成的孤立系统必将自发地走向混乱，其结果必将是细胞的解体；因此微生物细胞不是封闭系统，当然更不是孤立系统。因此，微生物活细胞是个开放系统。

微生物活细胞的生命活动是朝着有序的方向进行的，有序状态的形成和维持都需要与环境之间有交流的、开放的条件；而交换则要靠细胞内外的不平衡来推动。微生物活细胞总是不断地从环境取得营养，在细胞内进行生物转化（补充“秩序”），同时把细胞内部的不可逆过程产生的“混乱”的一部分以废物和热量的形式排放到环境中去（排除“混乱”）。因此，微生物细胞是不平衡的开放体系。

微生物细胞靠消耗能量来维持细胞的低熵（高度有序）状态。为了使生物量有所增长，必须有足够的能量输入。能量输入超过临界值时，细胞状态会发生宏观变化，即出现一种新的有序状态（生长）。对于微生物细胞这个系统而言，细胞离开平衡状态越远，“混乱”的输出能力越强，细胞结构越稳定，细胞的活力越强。因此，微生物活细胞是一个远离平衡状态的不平衡的开放系统。

综上所述，微生物活细胞作为一个热力学系统，它不仅是而且必须是一个远离平衡状态的不平衡的开放系统，是一种耗散结构。

微生物细胞结构的高度有序的状态要靠消耗可被其自身直接利用的能量（代谢能）来维持；要做到这一点，微生物活细胞必须是能进行能量转换的有效的化学反应体系。

微生物群体的非均匀性必然影响到代谢产物的形成一个纯培养物在相同的培养条件下，各培养单元（反应器）中的发酵单位不是确定值，而是趋于正态分布的随机变量

能直接推动生命活动（做细胞功）的能量形式叫做代谢能。微生物细胞依靠其自备的能量转换机构，把化学能或光能持续地转化成代谢能，直接用来支撑其自身的生命活动。微生物细胞生化反应过程的热力学代谢能（metabolicenergy）生物化学反应的代谢能支撑生命活动是生物体高度有序的序列反应的总和，是耗能的、不可逆的过程。尽管不同生物可以使用不同的能源；但是，吸能的生物化学反应只能接受代谢能，即可供细胞新陈代谢直接利用的能量形式。因此所有生物体内都存在把其他形式的能量转化成代谢能的过程。

工业生物过程主要是微生物细胞群体的生命活动过程。微生物细胞生命活动当然也是耗能的，微生物细胞大量的生化反应和细胞过程也只能接受代谢能。但——

微生物细胞直接面向环境而独立存在的处境，以及微生物细胞自主应对环境变化的生存方式，要求微生物细胞必须自己解决能量形式转换等生死攸关的问题。

即：微生物细胞必须自备与能源相对应的能量形式转换机构，并具备把能源提供的能量形式持续不断地转化成代谢能的能力，最终实现代谢能对微生物细胞生命活动的支撑。

能量经典地定义为物体做功的能力。能量是物质运动的一种度量，对应于物质不同的运动形式，能量也有不同的形式。代谢能是对应于生命运动的能量形式，是生物体直接用来建设自身或维持生命活动的能量形式。

代谢能以高能磷酸键或电场的方式储存在代谢能的载体中，腺苷酸和可以被能量化的生物膜是最常见的代谢能载体，ATP（能量货币）和Δp（质子运动势，能库）是代谢能最常见的供体。☆生命系统是开放系统☆经典热力学与微生物代谢☆吉布斯自由能和代谢能

细胞过程热力学关注的是细胞单个反应和以代谢网络为基础的代谢反应群可行性。

生命系统是开放系统

热力学分为平衡态热力学（或经典热力学）和非平衡热力学。经典热力学只考虑平衡状态，因此，对于深入研究细胞通过代谢途径而实现转化的特性几乎没有帮助。热力学第二定律加上吉布斯相平衡原理，能够确定某一反应或转化过程是否可行（是否可沿某一方向进行），却不能给出反应速率。它们主要应用于封闭系统中的可逆反应，在封闭系统中，这些反应最终几乎总是达到平衡态。

然而，生命系统是开放系统，不会达到平衡。它们通过将高焓低熵的基质转化成低焓高熵的代谢产物，不断获得自由能（其中一部分转化为代谢能，用来推动有序化进程）。吉布斯自由能：

G=H－TS

G，吉布斯自由能

H，物系的焓（描述恒压热效应）

T，绝对温度

S，物系的熵（描述混乱程度）

经典热力学与菌体代谢

热力学把宇宙中我们感兴趣的部分定义为系统，诸如一个生物反应器或一个细胞，而把其他部分看做其环境。系统是开放的还是封闭的、隔离的，取决于其是否可与环境交换物质和能量。因为活细胞吸收营养物质、释放代谢产物，并做功和放热。因此是开放系统。

系统状态由一组状态函数来定义。这些状态函数包括内能（U，系统固有全部能量的度量，描写恒容热效应）、焓（H，描写恒压热效应）、熵（S，系统混乱程度的度量）。这些状态函数可用来表示和解释两个热力学定律，经典热力学就建立在这两个定律基础上。

这两个定律是：

①热力学第一定律：能量既不能创生也不能消

灭。用数学方式表达为：ΔU=0，其含义

是，在任何隔离系统中系统储藏的能量不变。

②热力学第二定律：自发过程向熵值（宇宙的

总的混乱程度）增加的方向进行。用数学方

式表达为：ΔS

＞0，其含义是，在任何隔

离系统中，不违背第一定律的过程得以进行

的最起码的条件是该系统的熵值增加。

如果把我们研究的系统与它所处的环境加在一起，看作一个隔离系统，这个重新划定的隔离系统服从经典热力学。热力学第一定律阐明了任何过程都是能量守恒的，也就是说系统产生的能量必须由它的环境吸收。第二定律阐明了过程的自发性取决于总的熵变，在这个重新划定的隔离系统中，系统有序程度的增加，必须由它的环境混乱程度的更多的增加来弥补。

研究细胞过程时，自发性确实是一个非常重要的问题。然而，要确定整个宇宙的熵变化是不可能的，所以把自发过程引起的宇宙的混乱程度作为评估自发性的标准，难以操作。

而且，过程的自发性不能单独由所研究的系统的熵变来决定，因为即使在系统的熵减少（即ΔS系统＜0的情况下），放热过程（即ΔH系统＜0，也就是热量从系统放出）也可能自发进行。譬如，变性的蛋白质自发折叠成高度有序的天然构象（系统的熵减少，ΔS系统＜0），就是一例。当然在这种情况下，宇宙的总熵还是增加的，因为环境的熵的增加足以抵消系统的熵的减少。那么用什么量来判断自发过程呢？

吉布斯自由能和代谢能

由于熵在使用上的这些困难，自发性可由另一状态函数吉布斯自由能来确定：

G=H-TS

这个状态函数是由J.WillardGibbs于1878年提出的。系统自由能的减少等于系统在恒温、恒压可逆过程中所做的最大有用功（不包括位移功）。在不可逆过程中系统所做的功必然小于体系自由能的减少。

由于活细胞中所有生化过程几乎都是在恒温、恒压条件下进行，在研究微生物的能量代谢时自然会对自由能变化ΔG感兴趣。

恒温恒压条件下，各类化学反应能否自发进行，取决于自由能的变化ΔG的值，但反应的ΔG与变化经历的途径无关。

☆ΔG＜0，自发过程，被称为放能（exoergic）

过程，可以用来做功；

☆ΔG＝0时，反应已达到平衡，即其正向过

程和逆向过程正好处于平衡；

☆ΔG＞0时，非自发过程，被称为吸能

（endergonic）过程，必须注入自由能才能

驱动此类过程。

细胞中，能直接驱动吸能过程的自由能有两类供体：在细胞内流通的能量货币（以ATP为代表）和能化了的生物膜（以Δp为代表）。它们一般在代谢过程中形成，在代谢过程中使用，特别是其作为细胞组成成分，在细胞代谢中再生和周转。这两类特殊能量形式叫代谢能。特别提请注意：

①虽然酶对于加速反应非常重要，但它们

并不改变反应的ΔG，作为催化剂只能

加快热力学平衡的达到，却不能使

ΔG＞

0

的反应进行。

②反应或过程的吉布斯自由能随温度等变

化，其值可以推算。

微生物细胞内外的物质交换☆微生物细胞与其所处的环境的关系

☆化学物质的跨膜过程

微生物细胞要存活下去就必须进行能量代谢，能量代谢必须依赖于微生物细胞内外的交流，包括微生物细胞与环境之间和微生物细胞之间的物质、能量和信息的交流，也包括微生物细胞内被生物膜分隔的细胞空间之间的物质、能量和信息的交流。

微生物细胞内外的物质交换对工业发酵至关重要。没有这种交换微生物就不能生长和繁殖，就不能形成用于发酵生产的微生物细胞群体；没有这种交换工业微生物细胞就不能将目的产物送出细胞，我们就不能从发酵液获得产品。☆微生物细胞与其

所处环境的关系

存在于环境中的微生物(包括工业发酵环境中的微生物)活细胞必须不断地从环境摄取元素营养和能源营养。并将这些来自环境的营养有效地转换为可被其自身直接利用的代谢能，在代谢能的直接支撑下进行持续的生命活动。

可把微生物细胞这个开放系统与其所处环境加在一起，看作一个隔离系统，这个重新划定的系统必须服从熵值增加原理。细胞的新陈代谢及生长造成细胞熵值下降和其环境熵值增加的总效果是：此隔离系统的总的熵值是增加的。

微生物细胞是个远离平衡状态的不平衡的开放系统，其运转过程是在代谢能支持下进行的高度有序的过程，运转的结果是微生物细胞生命的持续和环境混乱程度的增加。

研究微生物的生命活动不能离开环境，也不能离开微生物的生理状态。环境影响微生物细胞的生理状态和生命活动，而微生物细胞生命活动又不断改变环境。人可以通过改变环境条件来改变或调节微生物的生理状态和生命活动，其改变或调节的有效性与人对环境影响微生物生命活动的规律的了解程度密切相关。

微生物生命活动影响和改变环境，人也可以主动地改变环境条件，在可能范围内调节微生物的生理状态和生命活动，以促进微生物生长或工业发酵目的产物生产。☆微生物的生理状态

与环境的关系

在工业发酵中，微生物的生理状态与环境的关系具体指的是工业发酵环境（微生物培养器内）中的微生物细胞的生理状态与细胞所处的环境条件（培养基的化学成分、温度、pH值等）之间的关系。

微生物细胞与高等生物细胞所处的环境条件不同，后者处于相当稳定的组织环境条件下，而前者则完全暴露在环境的影响之中。因此微生物必须对环境条件在较宽范围内的变化具有耐受和抵抗能力，能对这些变化做出积极的响应。

这里之所以要讨论环境因素对微生物细胞的生理学影响的问题，目的在于强调微生物细胞与其所处的环境是一个不可分割的整体。把微生物作为研究工作的“载体”，来研究生物体系与它们所处的环境的关系的研究，将十分有利。

微生物的生理状态与环境的关系或许可以从以下几个方面得到反映：

①初级响应：微生物细胞对化学或物理化学条件变化的直接响应，包括酶的抑制和激活、蛋白质合成的诱导和阻遏、细胞形态的改变，迅速生长的群体中不同基因型（genotype）细胞的比例的变化等。

②溶解氧浓度与细胞的相互作用：

需氧微生物进行有氧呼吸时的最终电子受体是氧，氧接受电子而被还原成水。氧经加氧酶（oxygenase）或二加氧酶（dioxygenase）催化，也可被固定在微生物代谢过程中产生的有机分子中。此外，氧还可作为生长或代谢的抑制剂（在一定程度上对细胞有毒性）、酶的调节剂等。

对生长中的微生物，溶解氧的浓度会影响微生物的生长速率、改变细胞的组成、改变代谢产物（包括代谢产物的种类和数量等）。以上细胞对氧的响应反过来又会影响细胞所处环境中的溶解氧浓度。

③对CO2的响应：

CO2可自由进出细胞，影响新陈代谢。化能自养型微生物以为CO2主要碳源。化能异养型微生物在以葡萄糖或其他糖作为唯一碳源的培养基中生长时，对CO2有需求，它们必须固定CO2，也就是让CO2进入细胞有机物的碳架，从而回补TCA环的中间产物，维持TCA环的运行，以支持生长。

CO2分压较高时，不但会影响培养基的pH值，导致生长所需矿物质的沉淀析出；更严重的是会导致质子的无效循环，使微生物生长速度下降。

这主要是因为细胞外pH值一般低于细胞内，分子态的CO2大量进入细胞，并在细胞内与水分子作用生成大量的H+和HCO3-，为维持细胞内中性的pH值和细胞内外的离子平衡，必须调用原本应该用于支持生长的代谢能将H+泵出细胞，代谢能的额外开支导致微生物生长速度的下降。

通氧（通风）过度会影响对细胞的CO2供应。以葡萄糖为主要碳源的培养基中培养微生物，刚接种细胞浓度很低，这时不宜大量通氧（通风），因为如果溶解氧太高会影响生长。

④对环境水活度的响应：环境水活度低于微生物细胞内水活度时，微生物细胞要承受“水应力”(watertress)。真细菌和真核微生物对水应力的响应是一种生理性适应，即会在细胞内累积有机兼容溶质(compatiblesolutes)，如多元醇、多元醇衍生物、某些糖和少数几种氨基酸、氨基酸衍生物等。

⑤环境的氢离子浓度与细胞的相互作用：

虽然大多数微生物都能耐受外部环境pH值在一定的范围内的变化，但事实上微生物（包括极端嗜酸菌和极端嗜碱菌）细胞内部pH值均接近于7。细胞内外pH值的差值是靠消耗代谢能来维持的。

培养基pH值与细胞的相互作用可从下面几方面来认识：

☆微生物都有生长的最适pH值；

☆

微生物会对细胞外pH值变化做出细胞水

平的响应，可能影响发酵产物的形成和细

胞的膜输送功能等；

☆

细胞反作用于环境，引起培养液（发酵

液）pH值的改变。这可以是因为产物的

形成、营养物的吸收、氧化还原反应或培

养液（pH）缓冲能力的改变。

当然也可以通过配入pH缓冲剂、添加酸或碱，或用设计合适的培养基或培养工艺来平衡代谢中产生的氢离子等方法，来调节培养液（发酵液）的pH值。

⑥环境温度与细胞的相互作用：与pH值、水活度的情况不同，微生物与它所处环境的温度是一致的，而且就任何化学反应而论，微生物的生命活动对环境温度都是敏感的。细胞对温度的响应包括：在生长温度范围内，不同温度下有不同的生长速率；在不同温度下，膜、DNA、RNA、蛋白质等细胞成分会有相应变化。

当温度发生变动时，细胞内部会发生全局性（细胞水平）的调整，从而在基质利用、产物形成、热量放出等方面对环境温度变动做出响应。当微生物代谢旺盛、迅速生长时，其他形式的能量大量地转化成代谢能，同时放出大量热能，使环境温度迅速上升。

此外，培养物中解偶联剂的加入，将破坏膜对氢离子的绝缘性，使氧化与磷酸化脱钩，氧化作用（电子传递）释放出来的能量全部以热量的形式释放；在大量供氧的情况下，培养物的温度急剧上升。

第二节微生物细胞生化反应模式

研究细胞的生长繁殖、基质的消耗和产物生成之间关系和规律；有助于对生物反应的了解，以便制定最佳控制策略提高过程经济效率。

微生物细胞生化反应是发酵过程的核