アセトン・ブタノール・エタノール発酵

アセトン・ブタノール・エタノール（ABE）発酵はワイツマン法とも呼ばれ、細菌発酵を利用してデンプンやグルコースなどの炭水化物からアセトン、n-ブタノール、エタノールを生産するプロセスです。化学者ハイム・ワイツマンによって開発され、第一次世界大戦中にイギリスの軍需産業に不可欠な物質であるコルダイトの製造に必要なアセトンを生産するために使用された主要なプロセスでした 。^[1]

このプロセスは、酵母が糖を発酵させてワイン、ビール、燃料用のエタノールを生成する方法に似ているかもしれないが、ABE発酵を行う生物は完全に嫌気性（偏性嫌気性菌）である。ABE発酵は、アセトン3、ブタノール6、エタノール1の割合で溶剤を生成する。通常はクロストリジウム綱（クロストリジウム科）の細菌株を使用する。クロストリジウム・アセトブチリカムは最もよく研​​究され、広く使用されている。効果は劣るものの、クロストリジウム・ベイジェリンキとクロストリジウム・サッカロブチリカムの細菌株も良い結果を示している。^{[2] [3]}

ABE発酵経路は、一般的に2つの段階で進行します。初期の酸生成段階では、細胞は指数関数的に増殖し、酢酸と酪酸を蓄積します。その後、低pHと他の要因により、代謝が溶媒生成段階に移行し、酢酸と酪酸が溶媒の生成に使用されます。^[4]

ガス除去に最もよく使用されるガスは、発酵自体から発生するオフガス、つまり二酸化炭素と水素ガスの混合物です。^{[引用が必要]}

生物学的手段によるブタノールの生産は、1861年にルイ・パスツールによって初めて実施されました。 ^[5] 1905年にオーストリアの生化学者フランツ・シャルディンガーは、アセトンも同様に生産できることを発見しました。^[5] 1910年にオーギュスト・フェルンバッハ（1860–1939）は、ジャガイモのでんぷんを原料としてブタノールを生産する細菌発酵プロセスを開発しました。^[6]

ABE発酵の産業的利用は、第一次世界大戦中の1916年に、チャイム・ワイツマンがクロストリジウム・アセトブチリカムを分離したことから始まりました。これは米国特許1315585に記載されています。^[7]

ワイツマン法は、コマーシャルソルベンツコーポレーションによって1920年から1964年まで米国（インディアナ州テレホート、イリノイ州ピオリア）と英国リバプールに工場があり、運営されていました。ピオリア工場は3つの工場の中で最大でした。糖蜜を原料として、それぞれ96,000ガロンの容量を持つ96の発酵槽を備えていました。^[8]

第二次世界大戦後、ABE発酵は、石油から同じ3つの溶剤（アセトン、ブタノール、エタノール）を生産するのに比べて、一般的に採算が取れなくなった。^[1] 1950年代から1960年代にかけて、ABE発酵は石油化学工場に置き換えられた。原材料費の違いから、ABE発酵は1980年代初頭まで南アフリカで実行可能だったが、最後の工場は1983年に閉鎖された。 ^[9] Green Biologics Ltdは、このプロセスを大規模に復活させる最後の試みを行ったが、ミネソタ州の工場は2019年6月に閉鎖された。

セルティック・リニューアブルズ社はスコットランドで新しいABEバイオリファイナリーを開発し、2022年初頭に生産を開始する予定である。このプロセスの主な違いは、価値の低い使用済み材料や他のプロセスからの残留物を使用することで、原料作物や材料の変動コストを削減することです。^[10]

バイオマス発酵プロセスで最も重要な側面は、その生産性に関係しています。例えば、クロストリジウム・ベイジェリンキまたはクロストリジウム・アセトブチリカムによるABE発酵は、生成物阻害を特徴としています。これは、克服できない生成物濃度閾値があり、その結果、生成物流が水で大幅に希釈されることを意味します。^[11]

このため、石油化学プロセスと同等の生産性と収益性を得るためには、製品精製セクションにコストとエネルギー効率に優れたソリューションを導入し、必要な純度で大幅な製品回収を実現する必要があります。過去数十年間に採用された主なソリューションは次のとおりです。^[要出典]

• より安価な原材料、特にリグノセルロース廃棄物や藻類の利用。
• ブタノール種に対する生産性と選択性を高めるために、ブタノール濃度中毒に対する感受性が低い微生物の改変または新しい菌株の研究。
• 生産性の向上を目的とした発酵リアクターの最適化。
• 分離および精製の下流処理のエネルギーコストを削減し、特に、反応器内でその場で分離を実行すること。
• 水素や二酸化炭素などの副産物、固形廃棄物、排出された微生物を利用して、より安価なプロセス廃水処理を実行します。

20世紀後半には、これらの技術により、培養液中の最終生成物濃度が15g/Lから30g/Lに増加し、最終生産性が0.46g/(L*h)から4.6g/(L*h)に増加し、収量が15%から42%に増加しました。^[3]

化合物精製の観点から見ると、ABE/W生成物回収における主な臨界点は、三成分平衡図で示されるように、水とアルコールの混合物の非理想的な相互作用によって均質および不​​均質の共沸種が生じることです^{[12] 。これにより、標準的な}蒸留による分離は特に非実用的になりますが、一方で、類似の^[13]および代替の^{[引用が必要]} 分離プロセスの両方で液液分離領域を活用できます。

そのため、ABE発酵の収率を高めるために、主に原位置での生成物回収システムが開発されてきた。これらには、ガスストリッピング、^{[14] [15]} 浸透気化、^{[16] [17]} 液液抽出、隔壁カラムによる蒸留、 ^[18] 膜蒸留、膜分離、^[19] 吸着、逆浸透などがある。Green Biologics Ltd.は、これらの技術の多くを工業規模で実装した。

さらに、原油原料とは異なり、バイオマスの性質は年間の季節や地理的な場所によって変動します。^{[20] [21]}このため、バイオリファイナリーの運用は効率的であるだけでなく、柔軟性があり、2つの運用条件をかなり迅速に切り替えることができる必要があります。[要出典]

ABE発酵は再生可能なバイオ燃料としてのブタノールに注目が集まり、新たな関心を集めている。^[23]

持続可能性は、ここ数年間、圧倒的に大きな関心を集めているテーマです。エネルギー問題は、世界中の先進工業国が採用している環境に優しい政策の要点です。この目的のために、欧州連合は2014年から2020年にかけて、最大のEU研究イノベーションプログラムであるホライズン2020に資金を提供しました。 ^[24]

国際エネルギー機関は、再生可能エネルギーを、炭素集約度が低く、より持続可能なエネルギーシステムへの移行の中心と定義しています。バイオ燃料は、2060年までに輸送におけるエネルギー消費の約30％を占めると考えられています。その役割は、航空、船舶、その他の長距離輸送など、脱炭素化が難しい分野で特に重要です。そのため、近年、研究と産業の両方の観点から、いくつかのバイオプロセスが新たな関心を集めています。^[25]

このため、ABE発酵プロセスは別の観点から再考されてきました。もともとアセトンを生産するために考案されましたが、大きな関心を集めている製品であるバイオブタノールの適切な生産経路であると考えられています。バイオジェニックブタノールはバイオエタノールの代替品、あるいはそれ以上のものであり、エタノールとは異なり、ガソリンエンジンで直接かつ効率的に使用できるため、燃料添加剤として、また標準ガソリンの代わりの純燃料としてすでに使用されています。さらに、既存のパイプラインとガソリンスタンドを通じて出荷および配送できるという利点もあります。^[26]

最後に、バイオブタノールは、エネルギー密度が高く、揮発性が低く、吸湿性が低いため、塗料、コーティング剤、ワニス、樹脂、染料、樟脳、植物油、脂肪、ワックス、シェラック、ゴム、アルカロイドの直接溶剤として広く使用されています。^[要出典]バイオブタノールは、さまざまな種類のセルロース系バイオマスから生成でき、ブチルレブリン酸などの高度なバイオ燃料のさらなる処理にも使用できます。 ^[27]

ブチルアクリレートの生産におけるn-ブタノールの応用は、その拡大の余地が大きく、ひいては世界的なn-ブタノールの消費量の増加に貢献するだろう。ブチルアクリレートは2014年に最大のn-ブタノール用途であり、2020年までに39億米ドルの価値があると予測されている。^[28]