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・エタノール発酵は、デンプンやその他の糖類を原料として、主にアセトン、n-ブタノール、エタノールを生み出す嫌気的な代謝プロセスです。このプロセスは英語名の頭文字をとってABE発酵とも略されます。特定の偏性嫌気性細菌、特にクロストリジウム属の一部の種が担います。
ABE発酵は、酸素が存在しない条件下で行われます。原料となる炭水化物は、利用されるクロストリジウム菌によって分解され、最終的にアセトン、n-ブタノール、エタノールが生産されます。これらの生成物は概ね3：6：1の比率で得られることが知られています。ABE発酵を工業的に担う主な細菌種には、Clostridium Acetobutylicum、C. Beijerinckii、C. Saccharoperbutylacetonicum、C. Saccharobutylicumなどが挙げられます。これらの細菌は、「ソルベント生産クロストリジウム菌」とも呼ばれます。
これらの微生物の大きな特徴は、その生育段階に応じて代謝産物を変化させる「代謝転換」を行うことです。細菌が増殖している対数増殖期には、主に酢酸や酪酸といった有機酸を生産し、この過程で増殖に必要なエネルギー（ATP）を獲得します（この段階は酸生成期と呼ばれます）。しかし、細胞の増殖速度が低下し定常期に入ると、代謝経路が切り替わり、アセトン、ブタノール、エタノールといった溶媒成分が大量に生産されるようになります（こちらはソルベント生成期と呼ばれます）。
ABE発酵の出発物質は糖類ですが、酵母による発酵とは異なり、デンプンやグルコースだけでなく、食料として利用されない様々な種類の糖も利用可能です。これらの糖は解糖系を経てピルビン酸に変換されます。ピルビン酸は、ピルビン酸シンターゼによってアセチルCoAに変わります。アセチルCoAはさらにチオラーゼによって二分子が結合し、アセトアセチルCoAとなります。このアセトアセチルCoAは、一連の酵素反応（3-ヒドロキシブチリル-CoAデヒドロゲナーゼ、クロトニルCoAヒドラターゼ、ブチリルCoAデヒドロゲナーゼ）を経てブチリルCoAへと変換されます。
酸生成期には、生成したアセチルCoAとブチリルCoAから、それぞれ酢酸と酪酸が産生され、これにより細胞はエネルギーを得ます。
ソルベント生成期に移行すると、酸生成期に蓄積された酢酸と酪酸は、CoAトランスフェラーゼの働きでそれぞれアセチルCoAとブチリルCoAに再び変換されます。このアセチルCoAはアセトアルデヒドデヒドロゲナーゼを経てアセトアルデヒドとなり、アルコールデヒドロゲナーゼによってエタノールになります。一方、ブチリルCoAはブチルアルデヒドデヒドロゲナーゼによりブチルアルデヒドに、さらにブタノールデヒドロゲナーゼによってブタノールへと変換されます。また、アセチルCoAとブチリルCoAの再生成の過程でアセト酢酸が生じますが、これはアセト酢酸デカルボキシラーゼによって脱炭酸され、アセトンとなります。これらの最終生成物（エタノール、ブタノール、アセトン）は細胞外へと放出されます。
ABE発酵は、酸化的リン酸化の経路を持たない嫌気性クロストリジウム菌にとって、代謝過程（特に解糖系やピルビン酸の分解）で発生する余剰な電子を処理するための重要な仕組みです。余剰電子は主にNADHの形で存在し、以下の経路で消費・排出されます。
1. アセトアセチルCoAからブチリルCoAへの還元反応においてNADHが利用されます。
2. 酸生成期には、ピルビン酸酸化で生じた電子がフェレドキシンに渡され、ヒドロゲナーゼによって水素分子（H₂）として菌体外に放出されます。
3. ソルベント生成期には水素分子の放出が減少し、NADHはエタノールやブタノールの生成反応における還元剤として主に消費されます。
ソルベント生成期における水素発生量の減少は、ヒドロゲナーゼ活性の制御によるものと考えられています。酸生成期には水素放出型のヒドロゲナーゼ遺伝子（hydA）が発現しますが、ソルベント生成期ではこの遺伝子に加え、水素取り込み型のヒドロゲナーゼ遺伝子（HupCBA）の発現が誘導されることが報告されています。これにより、見かけ上のヒドロゲナーゼ活性が低下し、水素生成量が減少すると考えられています。
ABE発酵の研究は、近代細菌学の祖であるルイ・パスツールのブタノール生産に関する初期の研究（1861年）に遡ります。その後、アセトン生産（Schardinger, 1905年）やジャガイモデンプンからのブタノール発酵（フェルンバッハ, 1911年）が報告されました。このプロセスが大規模な工業利用に至ったのは、化学者のハイム・ヴァイツマンがClostridium acetobutylicum菌株を単離し、アセトンとブタノールの発酵生産法を開発して特許を取得した1916年のことです。第一次世界大戦中、コルダイト製造に必要なアセトンの主要な供給源として、ヴァイツマン法は非常に重要視されました。アメリカのCommercial Solvents Corporationは、1920年から1964年にかけてこの方法で大規模な生産を行い、特にピオリア工場では糖蜜を原料とした巨大な発酵槽が稼働していました。
日本でも1930年代からABE発酵による工業生産が始まりましたが、特に第二次世界大戦中には軍用航空燃料（100オクタンガソリン）に不可欠なイソオクタン原料としてのブタノール確保の手段として注目されました。石油精製規模が小さかった日本では合成法によるイソオクタン製造に限界があったため、発酵法によるブタノール製造が検討され、協和化学研究所などで量産化が試みられました。しかし、異常発酵（眠り病など）の問題に苦労し、安定した量産体制が整ったのは戦後（1948年）になってからでした。
第二次世界大戦後、1940年代後半から1950年代にかけて石油化学工業が急速に発展すると、合成法によるブタノール生産が主流となり、発酵法による生産は急速に衰退しました。1960年代には、南アフリカなどの一部地域を除き、ABE発酵による工業生産はほぼ姿を消しました。しかし、1970年代のオイルショックや、化石燃料消費による地球温暖化問題への意識の高まりから、石油化学への依存脱却が議論され、1980年代初頭にはABE発酵が再生可能な資源からの物質生産プロセスとして再び活発に研究されるようになりました。現在では、ブタノールをバイオ燃料や化学品原料として生産する方法の一つとして、その効率化や新しい技術開発が進められています。
発酵槽からの目的物質（アセトン、ブタノール、エタノール）回収を効率化するため、ガスストリッピング、浸透気化法、膜抽出、吸着、逆浸透圧法など、様々なin situ（その場）での生成物回収システムが開発され、ABE発酵の実用化に向けた研究が進められています。
プロセスの概要と微生物
ABE発酵は、酸素が存在しない条件下で行われます。原料となる炭水化物は、利用されるクロストリジウム菌によって分解され、最終的にアセトン、n-ブタノール、エタノールが生産されます。これらの生成物は概ね3：6：1の比率で得られることが知られています。ABE発酵を工業的に担う主な細菌種には、Clostridium Acetobutylicum、C. Beijerinckii、C. Saccharoperbutylacetonicum、C. Saccharobutylicumなどが挙げられます。これらの細菌は、「ソルベント生産クロストリジウム菌」とも呼ばれます。
これらの微生物の大きな特徴は、その生育段階に応じて代謝産物を変化させる「代謝転換」を行うことです。細菌が増殖している対数増殖期には、主に酢酸や酪酸といった有機酸を生産し、この過程で増殖に必要なエネルギー（ATP）を獲得します（この段階は酸生成期と呼ばれます）。しかし、細胞の増殖速度が低下し定常期に入ると、代謝経路が切り替わり、アセトン、ブタノール、エタノールといった溶媒成分が大量に生産されるようになります（こちらはソルベント生成期と呼ばれます）。
代謝経路
ABE発酵の出発物質は糖類ですが、酵母による発酵とは異なり、デンプンやグルコースだけでなく、食料として利用されない様々な種類の糖も利用可能です。これらの糖は解糖系を経てピルビン酸に変換されます。ピルビン酸は、ピルビン酸シンターゼによってアセチルCoAに変わります。アセチルCoAはさらにチオラーゼによって二分子が結合し、アセトアセチルCoAとなります。このアセトアセチルCoAは、一連の酵素反応（3-ヒドロキシブチリル-CoAデヒドロゲナーゼ、クロトニルCoAヒドラターゼ、ブチリルCoAデヒドロゲナーゼ）を経てブチリルCoAへと変換されます。
酸生成期には、生成したアセチルCoAとブチリルCoAから、それぞれ酢酸と酪酸が産生され、これにより細胞はエネルギーを得ます。
ソルベント生成期に移行すると、酸生成期に蓄積された酢酸と酪酸は、CoAトランスフェラーゼの働きでそれぞれアセチルCoAとブチリルCoAに再び変換されます。このアセチルCoAはアセトアルデヒドデヒドロゲナーゼを経てアセトアルデヒドとなり、アルコールデヒドロゲナーゼによってエタノールになります。一方、ブチリルCoAはブチルアルデヒドデヒドロゲナーゼによりブチルアルデヒドに、さらにブタノールデヒドロゲナーゼによってブタノールへと変換されます。また、アセチルCoAとブチリルCoAの再生成の過程でアセト酢酸が生じますが、これはアセト酢酸デカルボキシラーゼによって脱炭酸され、アセトンとなります。これらの最終生成物（エタノール、ブタノール、アセトン）は細胞外へと放出されます。
生理的な意義と制御
ABE発酵は、酸化的リン酸化の経路を持たない嫌気性クロストリジウム菌にとって、代謝過程（特に解糖系やピルビン酸の分解）で発生する余剰な電子を処理するための重要な仕組みです。余剰電子は主にNADHの形で存在し、以下の経路で消費・排出されます。
1. アセトアセチルCoAからブチリルCoAへの還元反応においてNADHが利用されます。
2. 酸生成期には、ピルビン酸酸化で生じた電子がフェレドキシンに渡され、ヒドロゲナーゼによって水素分子（H₂）として菌体外に放出されます。
3. ソルベント生成期には水素分子の放出が減少し、NADHはエタノールやブタノールの生成反応における還元剤として主に消費されます。
ソルベント生成期における水素発生量の減少は、ヒドロゲナーゼ活性の制御によるものと考えられています。酸生成期には水素放出型のヒドロゲナーゼ遺伝子（hydA）が発現しますが、ソルベント生成期ではこの遺伝子に加え、水素取り込み型のヒドロゲナーゼ遺伝子（HupCBA）の発現が誘導されることが報告されています。これにより、見かけ上のヒドロゲナーゼ活性が低下し、水素生成量が減少すると考えられています。
歴史と応用
ABE発酵の研究は、近代細菌学の祖であるルイ・パスツールのブタノール生産に関する初期の研究（1861年）に遡ります。その後、アセトン生産（Schardinger, 1905年）やジャガイモデンプンからのブタノール発酵（フェルンバッハ, 1911年）が報告されました。このプロセスが大規模な工業利用に至ったのは、化学者のハイム・ヴァイツマンがClostridium acetobutylicum菌株を単離し、アセトンとブタノールの発酵生産法を開発して特許を取得した1916年のことです。第一次世界大戦中、コルダイト製造に必要なアセトンの主要な供給源として、ヴァイツマン法は非常に重要視されました。アメリカのCommercial Solvents Corporationは、1920年から1964年にかけてこの方法で大規模な生産を行い、特にピオリア工場では糖蜜を原料とした巨大な発酵槽が稼働していました。
日本でも1930年代からABE発酵による工業生産が始まりましたが、特に第二次世界大戦中には軍用航空燃料（100オクタンガソリン）に不可欠なイソオクタン原料としてのブタノール確保の手段として注目されました。石油精製規模が小さかった日本では合成法によるイソオクタン製造に限界があったため、発酵法によるブタノール製造が検討され、協和化学研究所などで量産化が試みられました。しかし、異常発酵（眠り病など）の問題に苦労し、安定した量産体制が整ったのは戦後（1948年）になってからでした。
第二次世界大戦後、1940年代後半から1950年代にかけて石油化学工業が急速に発展すると、合成法によるブタノール生産が主流となり、発酵法による生産は急速に衰退しました。1960年代には、南アフリカなどの一部地域を除き、ABE発酵による工業生産はほぼ姿を消しました。しかし、1970年代のオイルショックや、化石燃料消費による地球温暖化問題への意識の高まりから、石油化学への依存脱却が議論され、1980年代初頭にはABE発酵が再生可能な資源からの物質生産プロセスとして再び活発に研究されるようになりました。現在では、ブタノールをバイオ燃料や化学品原料として生産する方法の一つとして、その効率化や新しい技術開発が進められています。
発酵槽からの目的物質（アセトン、ブタノール、エタノール）回収を効率化するため、ガスストリッピング、浸透気化法、膜抽出、吸着、逆浸透圧法など、様々なin situ（その場）での生成物回収システムが開発され、ABE発酵の実用化に向けた研究が進められています。
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