Objective: The purpose of this study was to analyze the effect of the hydrothermal pretreatment of anaerobic digestion sludge cake (ADSC) of cattle manure on the solubilization of organic matter and the methane yield to improve the anaerobic digestion efficiency of cattle manure collected from the sawdust pens of cattle. Methods: Anaerobic digestion sludge cake of cattle manure was thermally pretreated at 160℃, 180℃, 200℃, and 220℃ by a hydrothermal pressure reactor, and the biochemical methane potential of ADSC hydrolysate was analyzed. Methane yield recovered by the hydrothermal pretreatment of ADCS was estimated based on mass balance. Results: The chemical oxygen demand solubilization degree (CODs) of the hydrothermal hydrolysate increased to 63.56%, 67.13%, 70.07%, and 66.14% at the hydrothermal reaction temperatures of 160℃, 180℃, 200℃, and 220℃, respectively. Considering the volatile solids content obtained after the hydrothermal pretreatment, the methane of 10.2 Nm3/ton-ADSC was recovered from ADSC of 1.0 ton, and methane yields of ADSC hydrolysate increased to 15.6, 18.0, 17.4, and 17.2 Nm3/ton-ADSC. Conclusion: Therefore, the optimal hydrothermal reaction temperature that yielded the maximum methane yield was 180℃ based on mass balance, and the methane yield from cattle manure containing sawdust was improved by the hydrothermal pretreatment of ADSC.
Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association
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v.31
no.1
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pp.27-34
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2023
In this study, spent mushroom substrate (SMS), which consits of lignocellulosic material, was pretreated by hydrothermal method; the changes of biodegradability and methane production yield of pretreated SMS were determined according to formation of lignocellulosic biomass degrading byproducts formation during thermal pretreatment. Based on the results, all hydrothermal pretreatment temperatures showed improved solubilization performance for biomass, and the optimum pretreatment effect was observed at an pretreatment temperature of 150℃ with the highest methane production yield. However, the induced formation of furan derivatives (i.e., 5-hydroxymethylfurfural and furfural) as byproducts during hydrolysis of hemicellulose and cellulose at severe condition lowered biodegradability and methane yield when the hydrothermal pretreatment temperature was higher than 180℃. Thus, this study revealed that hydrothermal pretreatment could promote anaerobic digestion efficiency of lignocellulosic biomass and is of great importance for preventing byproducts formation through pretreatment condition control.
In this study, the reusability of the Fenton oxidation solution was evaluated to reduce the cost of the pretreatment process. Biomass was sequential subjected to Fenton oxidation-hydrothermal treatment and enzymatic hydrolysis to produce monosaccharides. The liquid solution recovered after Fenton oxidation contained OH radicals with a concentration of 0.11 mol/L. This liquid solution was reused for a new Fenton oxidation reaction. After Fenton oxidation, hydrothermal treatment was performed under the same conditions as before, and 9.34-13.63 g/L of xylose was detected. This concentration was slightly lower than that of a fresh Fenton oxidation solution (16.51 g/L) but was higher than that obtained by hydrothermal treatment without Fenton oxidation (2.72 g/L). The degradation rate during hydrothermal pretreatment involving Fenton oxidation was 36.02%, which decreased (29.24-31.05%) slightly when the liquid solution recovered after Fenton oxidation was reused. However, the degradation rate increased compared to that measured from hydrothermal treatment without Fenton oxidation (15.21%). Moreover, the yield after enzyme hydrolysis decreased in the following order: fresh Fenton oxidation-hydrothermal treatment (89.64%) > Fenton oxidation with reused solution-hydrothermal treatment (74.84%) > hydrothermal treatment without Fenton oxidation (32.05%).
The green algae have cellulose as a main structural component of their cell wall and the cellulose content in green algae is much higher than other marine algae such as brown algae and red algae. Furthermore, green algae do not contain lignin in their cell wall and store starch as food in their plastids. Thus, it was investigated that the effect of hydrothermal pretreatment process utilizing microwave irradiation for Ulva pertusa Kjellman, a division of green algae, which is expected to be utilized for bioenergy production, on the enzymatic hydrolysis. The hydrothermal temperature have an effect on the pretreatment of Ulva pertusa Kjellman, but the effect of power of microwave irradiation is negligible. The rate of enzymatic hydrolysis was increased as the hydrothermal temperature increased until $140^{\circ}C$. The enzymatic hydrolysis of pretreated Ulva pertusa Kjellman under the optimum pretreatment conditions (50 W of microwave irradiation power and $150^{\circ}C$ of hydrothermal temperature) with cellulase, ${\alpha}$-amylase, and Novozyme 188 having ${\beta}$-glucosidase acitivity resulted in the saccharification of 96 wt% of total carbohydrate in Ulva pertusa Kjellman during 3 hrs, while it took 24 hrs for the enzymatic hydrolysis of untreated Ulva pertusa Kjellman. It confirmed that the hydrothermal pretreatment was effective on Ulva pertusa Kjellman for the enzymatic hydrolysis.
Certain microalgae have been known to use light and various carbon sources to produce carbohydrates, mainly in the form of starch. This is one of the pertinent feedstocks replacing agricultural products for the production of bioethanol by yeast. This study focuses upon dilute acid hydrothermal pretreatments at low cost and high efficiency to compete with current methods, and employs Chlamydomonas reinhardtii UTEX 90 as the feedstock. With dry cells of 5%(w/v), the algal biomass was pretreated with sulfuric acid(1-5%) under temperatures from 100 to $120^{\circ}C$, from 15 to 120 min. As a result, the glucose release from the biomass was maximum at 58%(w/w) after pretreatment with 3% sulfuric acid at $110^{\circ}C$ for 30 min. This method enabled not only starch, but also the hydrolysis of other oligosaccharides in the algal cell in high efficiency. Arrhenius-type of model equation enabled extrapolation of some yields of glucose beyond this range. The pretreated slurry was fermented by yeast, Saccharomyces cerevisiae S288C, resulting in an ethanol yield of 29.2% from algal biomass. This study suggests that the pretreated algal biomass is a suitable feedstock for ethanol production and can have a positive impact on large-scale applied systems.
Xu, Jian;Thomsen, Mette Hedegaard;Thomsen, Anne Belinda
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.19
no.8
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pp.845-850
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2009
Bioethanol derived from lignocellulosic biomass has the potential to replace gasoline. Cellulose is naturally recalcitrant to enzymatic attack, and it also surrounded by the matrix of xylan and lignin, which enhances the recalcitrance. Therefore, lignocellulosic materials must be pretreated to make the cellulose easily degraded into sugars and further fermented to ethanol. In this work, hydrothermal pretreatment on corn stover at $195^{\circ}C$ for 15 min with and without lower concentration of formic acid was compared in terms of sugar recoveries and ethanol fermentation. For pretreatment with formic acid, the overall glucan recovery was 89% and pretreatment without formic acid yielded the recovery of 94%. Compared with glucan, xylan was more sensitive to the pretreatment condition. The lowest xylan recovery of 55% was obtained after pretreatment with formic acid and the highest of 75% found following pretreatment without formic acid. Toxicity tests of liquor parts showed that there were no inhibitions found for both pretreatment conditions. After simultaneous saccharification and fermentation (SSF) of the pretreated corn stover with Baker's yeast, the highest ethanol yield of 76.5% of the theoretical was observed from corn stover pretreated at $195^{\circ}C$ for 15 min with formic acid.
In this study, the effects of malonic acid-catalyzed pretreatment on the subsequent enzymatic hydrolysis of red macro-algae Gracilaria verrucosa for production of biosugar (total reducing sugar) were investigated. In the hydrothermal pretreatment condition of 300 mM malonic acid, 1:20 solid-to-liquid ratio at $130^{\circ}C$ for 60 min, a 49.2% biosugar yield was achieved. Moreover, by subsequent enzymatic hydrolysis after pretreatment, maximum yield of 64.5% was achieved.
The objective of this work was to investigate the feasibility of acid-catalyzed hydrothermal fractionation for maximum solubilization of the hemicellulosic portion of two typical agricultural residues. The fractionation conditions converted into combined reaction severity (CS) in the range of 1.2-2.9 was used to establish a simple reaction criteria at glance. The hemicellulosic sugar yield of 56.6% was shown when rice straw was fractionated at the conditions at the conditions; 160 ℃ of temperature 0.75% (w/v) of H2SO4, 20 min of reaction time, 1:15 solid/liquid ratio. The hemicellulosic sugar yield of 83.0%, however, was achieved when barley straw was fractionated at the conditions at the conditions; 150 ℃ of temperature 0.75% (w/v) of H2SO4, and 15 min of reaction time, 1:10 solid/liquid ratio. For barley straw, acid-catalyzed hydrothermal fractionation could be effectively performed. After the fractionation process, the remaining fractionated solids were 48.5% and 57.5% from raw rice and barley straws, respectively. The XMG contents in the solid residues decreased from 17.3% and 17.6% to 6.0% and 2.6%, which corresponded to 16.7% and 8.5% on the basis of the raw straws, respectively. In another way, only 5.6% of cellulose and 8.5% of XMG were lost due to excessive decomposition during the acid-catalyzed hydrothermal fractionation of barley straw, compared to cellulose and XMG losses of 6.4% and 26.6% in rice straw. Hemicellulosic sugars from the rice straw were considered more over-decomposed due to the somewhat higher reaction severity at the acid-catalyzed hydrothermal fractionation.
Kim, Dong Hyeon;Son, Jun Kyu;Lee, Ji Hwan;Kim, Sang Bum;Park, Beom Young;Kim, Doo San;Jang, Gul Won;Lim, Hyun Joo;Hur, Tai Young;Kim, Eun Tae
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.22
no.1
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pp.468-476
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2021
This study examined the effects of a hydrothermal pretreatment (HP) on the nutritional values and in vitro fermentation characteristics of tall fescue and corn silage. This study was conducted through a factorial design of 2 (control or HP) × 2 (hay; tall fescue or silage; corn). For the HP, forage was placed into a glass bottle with 20% w/v of water, and the glass bottle was sealed and heated to reach a temperature of 121℃ (0.12 MPa). The solid residue and liquid were collected and oven-dried at 65℃ for three days. The dried materials were tested for in vitro fermentation at 39℃ for 24 and 48 h. The content of ADF increased significantly regardless of the forage type. After in vitro incubation for 24 h, the total VFA content was significantly lower after HP, regardless of the forage type (p ≤ 0.05), and the propionate concentration was increased in corn silage with HP (p ≤ 0.05). After 48 hours of in vitro incubation, the propionate content increased significantly (p ≤ 0.03) in corn silage with HP (p ≤ 0.05), but the butyrate content decreased significantly (p ≤ 0.05). There was no change in the in vitro dry matter and neutral detergent fiber digestibility by HP regardless of the forage type. Therefore, the use of hydrothermally pretreated corn silage could be advantageous for the supply of energy for ruminants.
Disinfection of a waterborne pathogenic protozoa, Giardia lamblia, by the conventional chlorine method has been known to be difficult. An alternative disinfection has been carried out by using a UV -light illuminating opticalfiber photoreactor. Light intensity diffused from one piece of a clad-removed optical-fiber was $1- 1.5{\mu}Em^{-2}s^{-1}$. Disinfection capability in a UV -light irradiated optical-fiber reactor suspended with 0.01 g $TiO_{2}\;dm^{-3}$ was 1.4 times that in the same reactor without $TiO_{2}$ photocatalysts. To resolve the absorption and scattering of UV light by the particles themselves as well as the difficulty of recycling particles in the slurrytype reactor, $TiO_{2}$ which was obtained by a hydrothermal method, was immobilized on clad-removed optical fibers. Such pretreatment of fiber surface resulted in an excellent transparency, which enhanced the UV light to diffuse laterally from a fiber surface. Coating time of the prepared solution by the hydrothermal method was not effective after more than two times. Disinfection capability in the $TiO_{2}$-immobilized optical-fiber reactor was $83\%$ in 1 h at $40^{\circ}C$, which was slightly higher than $76\%$ at $22^{\circ}C$ and $68\%$ at $10^{\circ}C$. Disinfection capability at $22^{\circ}C$ increased from $74\%$ at an initial pH of 3.4, through $76\%$ at pH 6.5, to $87\%$ at an initial pH of 10. Oxygen supply with air-flow rate of 5 $cm^3\;min^{-1}$ did not seem to increase the disinfection capability with UV /immobilized $TiO_2$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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