• 제목/요약/키워드: Bioethanol

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Crystal Structure and Functional Characterization of a Xylose Isomerase (PbXI) from the Psychrophilic Soil Microorganism, Paenibacillus sp.

  • Park, Sun-Ha;Kwon, Sunghark;Lee, Chang Woo;Kim, Chang Min;Jeong, Chang Sook;Kim, Kyung-Jin;Hong, Jong Wook;Kim, Hak Jun;Park, Hyun Ho;Lee, Jun Hyuck
    • Journal of Microbiology and Biotechnology
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    • 제29권2호
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    • pp.244-255
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    • 2019
  • Xylose isomerase (XI; E.C. 5.3.1.5) catalyzes the isomerization of xylose to xylulose, which can be used to produce bioethanol through fermentation. Therefore, XI has recently gained attention as a key catalyst in the bioenergy industry. Here, we identified, purified, and characterized a XI (PbXI) from the psychrophilic soil microorganism, Paenibacillus sp. R4. Surprisingly, activity assay results showed that PbXI is not a cold-active enzyme, but displays optimal activity at $60^{\circ}C$. We solved the crystal structure of PbXI at $1.94-{\AA}$ resolution to investigate the origin of its thermostability. The PbXI structure shows a $({\beta}/{\alpha})_8$-barrel fold with tight tetrameric interactions and it has three divalent metal ions (CaI, CaII, and CaIII). Two metal ions (CaI and CaII) located in the active site are known to be involved in the enzymatic reaction. The third metal ion (CaIII), located near the ${\beta}4-{\alpha}6$ loop region, was newly identified and is thought to be important for the stability of PbXI. Compared with previously determined thermostable and mesophilic XI structures, the ${\beta}1-{\alpha}2$ loop structures near the substrate binding pocket of PbXI were remarkably different. Site-directed mutagenesis studies suggested that the flexible ${\beta}1-{\alpha}2$ loop region is essential for PbXI activity. Our findings provide valuable insights that can be applied in protein engineering to generate low-temperature purpose-specific XI enzymes.

차량화재 안전설계를 위한 휘발유/에탄올 혼합연료의 연소생성물 배출 특성 (Emission Characteristics of Gasoline/ethanol Mixed Fuels for Vehicle Fire Safety Design)

  • 김신우;이의주
    • 한국안전학회지
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    • 제34권1호
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    • pp.27-33
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    • 2019
  • Combustion characteristics of gasoline/ethanol fuel were investigated both numerically and experimentally for vehicle fire safety. The numerical simulation was performed on the well-stirred reactor (WSR) to simulate the homogeneous gasoline engine and to clarify the effect of ethanol addition in the gasoline fuel. The simulating cases with three independent variables, i.e. ethanol mole fraction, equivalence ratio and residence time, were designed to predict and optimized systematically based on the response surface method (RSM). The results of stoichiometric gasoline surrogate show that the auto-ignition temperature increases but NOx yields decrease with increasing ethanol mole fraction. This implies that the bioethanol added gasoline is an eco-friendly fuel on engine running condition. However, unburned hydrocarbon is increased dramatically with increasing ethanol content, which results from the incomplete combustion and hence need to adjust combustion itself rather than an after-treatment system. For more tangible understanding of gasoline/ethanol fuel on pollutant emissions, experimental measurements of combustion products were performed in gasoline/ethanol pool fires in the cup burner. The results show that soot yield by gravimetric sampling was decreased dramatically as ethanol was added, but NOx emission was almost comparable regardless of ethanol mole fraction. For soot morphology by TEM sampling, the incipient soot such as a liquid like PAHs was observed clearly on the soot of higher ethanol containing gasoline, and the soot might be matured under the undiluted gasoline fuel.

Zymomonas mobilis를 이용한 목질계 에탄올 생산을 위한 균주 개선에 관한 연구 동향 (Recent Progress in Strain Development of Zymomonas mobilis for Lignocellulosic Ethanol Production)

  • 전용재
    • 생명과학회지
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    • 제29권1호
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    • pp.135-145
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    • 2019
  • 자이모모나스 모빌리스(Zymomonas mobilis)는 수십 년 동안 생화학적 발효 기술을 통한 수송용 에탄올을 생산하기에 적합한 산업용 미생물로 각광을 받아왔다. 최근 이 균주의 포스트 게놈 시대 도래 및 미국 듀폰사(DuPont, USA)의 세계 최대 산업용 목질계 에탄올 생산 시설 완료 등은, 이 미생물을 이용한 산업적 에탄올 생산 공정 가시화를 위한 다양한 연구들을 파생시키고 있다. 특히, 산업용 셀룰로오스 에탄올 발효공정에 이용되는 미생물은 다양한 독성 발효 저해물질 및 물리적 스트레스에 보다 쉽게 노출 될 수 있다. 따라서 본 논문은 이 미생물이 보유한 최신 생리학적 이해와 관련 된 정보와 다양한 환경적 스트레스에 견딜 수 있는 산업적 강건성 및 산업용 균주 개발 방법에 대한 사례 및 이 균주를 이용한 가격 경쟁적인 목질계 에탄올 생산 공정 개발에 필요한 균주 개발에 대한 미래 지향적 연구 방향에 대하여 기술하였다.

Soda Pulping of Torch Ginger Stem: Promising Source of Nonwood-Based Cellulose

  • ZENDRATO, Herman Marius;DEVI, Yunita Shinta;MASRUCHIN, Nanang;WISTARA, Nyoman J.
    • Journal of the Korean Wood Science and Technology
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    • 제49권4호
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    • pp.287-298
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    • 2021
  • Torch ginger (Etlingera elatior Jack) is a potential source of lignocellulose material for various derivative products. This study aims to determine the chemical components, ratio of syringyl to guaiacyl units (S/G) in lignin, and crystallinity of the biomass of torch ginger. The effects of soda pulping on the chemical characteristics of torch ginger pulp were also studied. Pulping of the chips was conducted with active alkali of 15%, 20%, and 25% and a Liquor-to-Wood (L/W) ratio of 4:1, 5:1, and 6:1. The impregnation and pulping times at maximum temperature (170℃) were 120 and 90 min, respectively. To assess the effect of treatments on the properties of pulping, a two-factorial experimental design was applied. Results showed that the content of α-cellulose and hemicellulose in the torch ginger was 48.48% and 31.50%, respectively, with an S/G ratio of 0.70 in lignin. Soda pulping changed the crystalline structure of the biomass from triclinic to monoclinic. Active alkali, L/W ratio, and interactions considerably influenced the observed responses. The degree of delignification increased with an increase in the loading of active alkali, which lead to a decrease in the kappa number of the pulp. An active alkali content of 25% and an L/W ratio of 6:1 resulted in the highest delignification selectivity with a kappa number of 2.78 and a yield of 24%. Given its cellulose content and ease of pulping, torch ginger can be a potential raw material for derivative products that require delignification as pretreatment. However, the increase in cellulose crystallinity should be considered when converting torch ginger to bioethanol.

Clostridium ljundahlii를 이용한 합성가스 발효에서 배지 내 tryptone 및 tungsten의 영향 (Effect of Tryptone and Tungsten in Medium on Syngas Fermentation Using Clostridium ljundahlii)

  • 박소은;김영기
    • 공업화학
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    • 제34권3호
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    • pp.327-329
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    • 2023
  • 본 연구에서는 Clostridium ljungdahlii 배양에서 유기질소공급물인 tryptone과 sodium tungstate의 배양액 내 농도가 균주 성장과 아세트산, 에탄올 생산에 대한 영향을 확인하기 위한 실험을 수행하였다. 대조군 실험의 배지 조건(0 g/L tryptone)보다 tryptone 2.5 g/L를 투입한 경우 균주 성장이 144.6% 증가하였고, 에탄올 및 아세트산 생산은 각각 8.6%와 36.7% 향상되었다. 대조군 실험에 사용된 배지의 조건(0.01 µM Na2WO4·2H2O)보다 100배인 1 µM Na2WO4·2H2O를 사용한 실험군에서, 균주 성장과 C2 대사산물의 총생산량에는 큰 차이가 없지만, 에탄올 생산 증가하고 아세트산 생산은 감소하여 에탄올/아세트산 생산비가 0.56로 대조군의 0.24에서 크게 증가하였다.

Alkaline Peroxide Pretreatment of Waste Lignocellulosic Sawdust for Total Reducing Sugars

  • Satish Kumar Singh;Sweety Verma;Ishan Gulati;Suman Gahlyan;Ankur Gaur;Sanjeev Maken
    • Korean Chemical Engineering Research
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    • 제61권3호
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    • pp.412-418
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    • 2023
  • The surge in the oil prices, increasing global population, climate change, and waste management problems are the major issues which have led to the development of biofuels from lignocellulosic wastes. Cellulosic or second generation (2G) bioethanol is produced from lignocellulosic biomass via pretreatment, hydrolysis, and fermentation. Pretreatment of lignocellulose is of considerable interest due to its influence on the technical, economic and environmental sustainability of cellulosic ethanol production. In this study, furniture waste sawdust was subjected to alkaline peroxide (H2O2) for the production of reducing sugars. Sawdust was pretreated at different concentrations from 1-3% H2O2 (v/v) loadings at a pH of 11.5 for a residence time of 15-240 min at 50, 75 and 90 ℃. Optimum pretreatment conditions, such as time of reaction, operating temperature, and concentration of H2O2, were varied and evaluated on the basis of the amount of total reducing sugars produced. It was found that the changes in the amount of lignin directly affected the yield of reducing sugars. A maximum of 50% reduction in the lignin composition was obtained, which yielded a maximum of 75.3% total reducing sugars yield and 3.76 g/L of glucose. At optimum pretreatment conditions of 2% H2O2 loading at 75 ℃ for 150 min, 3.46 g/L glucose concentration with a 69.26% total reducing sugars yield was obtained after 48 hr. of the hydrolysis process. Pretreatment resulted in lowering of crystallinity and distortion of the sawdust after the pretreatment, which was further confirmed by XRD and SEM results.

바이오에탄올 생산에 적합한 백합나무(Liriodendron tulipifera)의 oxalic acid 전처리 효과 탐색 (Effect of Oxalic Acid Pretreatment on Yellow Poplar (Liriodendron tulipifera) for Ethanol Production)

  • 김혜연;이재원;;곽기섭;최인규
    • Journal of the Korean Wood Science and Technology
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    • 제37권4호
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    • pp.397-405
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    • 2009
  • 본 연구에서는 국내 조림 수종인 백합나무를 바이오에탄올 생산용 자원으로 이용하고자 oxalic acid 전처리 방법을 도입하여 가능성을 타진하였다. $160^{\circ}C$에서 0.037 g/g oxalic acid로 20분 전처리하였을 때 $40.22g/{\ell}$의 발효가능한 당을 생산하였으며, 처리된 고형 바이오매스를 이용하여 동시당화발효를 수행한 결과 72시간 후 $8.6g/{\ell}$의 에탄올을 생산하였다. 같은 조건에서 반응시간을 증가시켜 40분 처리하였을 때 $32.66g/{\ell}$의 발효가능한 당을 생산하였고 동시당화발효로 72시간 후 $9.5g/{\ell}$의 에탄올을 생산하였다. 가수분해산물을 분석한 결과, 같은 조건에서 반응시간이 증가함에 따라 acetic acid, 5-HMF, furfural, total phenols와 같은 발효저해물질이 증가하였다. 이와 같은 발효저해물질은 반응시간보다는 초기 oxalic acid 첨가량에 영향을 받았다. Acetic acid 생산량은 저농도(0.013 g/g)의 oxalic acid를 사용하였을 때 $3.39{\sim}5.78g/{\ell}$로 나타났으며 xylose 분해산물인 furfural은 glucose의 분해산물인 5-HMF보다 2~3배 많게 가수분해산물에 존재하였다. 리그닌 분해산물로 예측되는 total phenols는 모든 조건에서 $5g/{\ell}$ 이상이 검출되었다. 가수분해산물과 동시당화발효로부터 에탄올 생산량을 분석한 결과 0.037 g/g oxalic acid로 20분 전처리한 가수분해산물과 고형 바이오매스로부터 가장 높은 에탄올 생산을 예측할 수 있다.

산가수분해한 유채대로부터 유리당의 분리 및 이의 잔사로부터 펠릿의 제조 (Separation of Reducing Sugars from Rape Stalk by Acid Hydrolysis and Fabrication of Fuel Pellets from its Residues)

  • 양인;안병준;김명용;오세창;안세희;최인규;김용현;한규성
    • 한국자원식물학회지
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    • 제27권1호
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    • pp.60-71
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    • 2014
  • 본 연구는 유채의 바이오리파이너리 원료화 가능성을 확인하기 위하여 유채대를 DW, AA, OA, SA 및 SH 용액에 침지하였다. 먼저 침지 유채대의 원소를 분석한 결과, 침지를 통하여 질소, 황, 염소의 함량이 효과적으로 감소되는 것을 확인하였다. 이 외에 침지액의 농도와 침지시간을 실험인자로 침지액 내에 존재하는 glucose, xylose, arabinose와 같은 유리당의 양을 조사하였는데, DW- 및 SH-침지액에서는 각각 xylose와 sucrose만 그리고 SA- 및 OA-침지액에서는 소량의 glucose만 검출되었다. 그러나 AA-침지액에서는 많은 양의 glucose와 소량의 arabinose까지 분석되었다. 한편, 유채대 침지에 사용된 산용액의 종류와 농도(1%, 2%)에 따른 glucose 양을 분석한 결과, AA를 침지액의 조제를 위한 산으로 사용하고 AA의 농도를 1%로 조절하는 것이 유채대로부터 효과적으로 glucose를 가수분해할 수 있는 조건인 것으로 조사되었다. 침지시간의 영향을 보면, 72 hr-침지에서 가장 많은 양의 glucose가 검출되었으며, 120 hr까지의 침지시간 연장은 유리되는 glucose 양에 부정적인 영향을 미쳤다. 다음으로, DW, AA, OA 용액에 침지시킨 유채대를 이용하여 펠릿을 제조하였는데, 이 때 산의 농도 그리고 침지시간(24, 72, 120 hr)을 실험 인자로 사용하였으며, 이렇게 제조된 펠릿의 함수율, 겉보기밀도, 회분량, 발열량, 내구성을 측정하였다. 침지 유채대 펠릿의 겉보기 밀도와 발열량은 무침지 유채대 펠릿과 비교하여 크게 높았으며, 실험 인자와 상관없이 EN 규격의 A등급 기준($${\leq_-}600kg/m^3$$, $${\qeq_-}14.1MJ/kg$$)을 각각 상회하였다. 유채대의 침지는 무침지 유채대의 회분량(8.9%)과 비교하여 회분량을 크게 감소시켰으며, 특히 AA-와 DW-침지가 유채대의 회분량 감소에 효과적인 것으로 나타났다. 또한 침지 유채대의 회분량은 EN 규격의 A등급 기준($${\leq_-}5.0%$$)을 만족하였다. 침지 유채대로 제조한 펠릿의 내구성은 전반적으로 무침지 유채대 펠릿(97.40%)보다 낮았으며, 특히 OA-2%에 120 hr 침지시킨 유채대 펠릿을 제외하고 나머지 조건은 EN 규격의 B등급($${\qeq_-}96.00%$$) 기준에 만족하지 않는 것으로 조사되었다. 침지 유채대의 원소 및 유리당 분석 그리고 펠릿의 품질 시험 결과를 종합하면, 1% 농도의 AA 용액에 유채대를 72 hr동안 침지시키는 것이 유채대의 바이오에탄올 및 펠릿 원료화를 위한 최적조건이라는 결론을 얻었다. 따라서 이 조건에서 1 kg의 유채대를 침지시켰을 경우, 산술적으로 바이오에탄올 생산용 원료인 50 g의 glucose를 얻을 수 있으며, 나머지 950 g의 잔사는 아그로펠릿의 원료로 사용이 가능할 것으로 생각한다. 그러나 AA-침지 유채대로 제조한 펠릿의 낮은 내구성 문제를 해결하기 위하여 세분화된 범위의 침지 조건 탐색, 목분과의 혼합 펠릿 제조, 바인더의 첨가 등과 같은 추가 연구가 수행되어야 할 것으로 생각한다.

농축산바이오매스 고온 혐기성 생분해도 평가 (Thermophilic Anaerobic Biodegradability of Agro-industrial Biomass)

  • 허남효;강호;이승헌
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • 한국신재생에너지학회 2010년도 추계학술대회 초록집
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    • pp.101-101
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    • 2010
  • Anaerobic digestion(AD) is the most promising method for treating and recycling of different organic wastes, such as organic fraction of municipal solid waste, household wastes, animal manure, agro-industrial wastes, industrial organic wastes and sewage sludge. During AD, i.e. organic materials are decomposed by anaerobic forming bacteria and fina1ly converted to excellent fertilizer and biogas which is a mixture of carbon dioxide and methane. AD has been one of the leading technologies that can make a large contribution to produce renewable energy and to reduce $CO_2$ and other green-house gas(GHG) emission, it is becoming a key method for both waste treatment and recovery of a renewable fuel and other valuable co-products. Currently some 80% of the world's overall energy supply of about 400 EJ per year in derived from fossil fuels. Nevertheless roughly 10~15% of this demand is covered by biomass resources, making biomass by far the most important renewable energy source used to date. The representative biofuels produced from the biomass are bioethanol, biodiesel and biogas, and currently biogas plays a smaller than other biofuels but steadily growing role. Traditionally anaerobic digestion applied for different biowaste e.g. sewage sludge, manure, other organic wastes treatment and stabilization, biogas has become a well established energy resource. However, the biowaste are fairly limited in respect to the production and utilization as renewable source, but the plant biomass, the so called "energy crops" are used for more biogas production in EU countries and the investigation on the biomethane potential of different crops and plant materials have been carried out. In Korea, with steadily increasing oil prices and improved environmental regulations, since 2005 anaerobic digestion was again stimulated, especially on the biogasification of different biowastes and agro-industrial biomass including "energy crops". This study have been carried out to investigate anaerobic biodegradability by the biochemical methane potential(BMP) test of animal manures, different forage crops i.e. "energy crops", plant and industrial organic wastes in the condition of thermophilic temperature, The biodegradability of animal manure were 63.2% and 58.2% with $315m^3CH_4/tonVS$ of cattle slurry and $370m^3CH_4/tonVS$ of pig slurry in ultimate methane yields. Those of winter forage crops were the range 75% to 87% with ultimate methane yield of $378m^3CH_4/tonVS$ to $450m^3CH_4/tonVS$ and those of summer forage crops were the range 81% to 85% with ultimate methane yield of $392m^3CH_4/tonVS$ to $415m^3CH_4/tonVS$. The forge crops as "energy crops" could be used as good renewable energy source to increase methane production and to improve biodegradability in co-digestion with animal manure or only energy crop digestion.

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홍조류(Kappaphycus alvarezii)의 동시 당화 발효를 이용한 바이오에탄올의 생산 (Bioethanol Production from Seaweed Kappaphycus alvarezii by Simultaneous Saccharification and Fermentation)

  • 라채훈;김성구
    • 한국미생물·생명공학회지
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    • 제44권2호
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    • pp.145-149
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    • 2016
  • 해조류 중 홍조류인 K. alvarezii로부터 동시 당화 발효(SSF)를 위한 효소 당화 및 균 배양 온도를 검토하고, 기존의 동시 당화 발효(SSF) 를 개선하기 위해 2단계 동시 당화 발효(SSF)를 수행하였다. 효소 당화와 균 성장 온도를 고려하였을 때 동시 당화 발효(SSF)에 적용하는 배양 온도는 40°C를 선택하여 실험을 진행하였다. 비순치 효모(wild type)와 고농도 갈락토오스에 순치한 효모(adapted yeast to galactose)를 이용한 동시 당화 발효(SSF)를 실시한 결과 발효 156시간에 9.1 g/l의 에탄올 수율(YEtOH) 0.24와 10.2 g/l의 에탄올 수율(YEtOH) 0.27을 나타내었다. 이러한 기존의 동시 당화 발효(SSF)를 개선한 2단계 동시 당화 발효(SSF)는 에탄올 생산 수율이 0.27에서 0.35로 27.5% 증가하였으며, 에탄올 발효 시간도 156시간에서 96시간으로 61.5% 감소하였다. 이러한 연구결과는 해양 바이오매스인 해조류로부터 바이오연료 생산과정에 있어 기초적인 정보를 제공할 것이다.