Enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass into fermentable sugars is a key step in the conversion of agricultural by-products to biofuels and value-added chemicals. Utilization of a robust microorganism for on-site production of biomass-degrading enzymes has gained increasing interest as an economical approach for supplying enzymes to biorefinery processes. In this study, production of multi-polysaccharide-degrading enzymes from Aspergillus aculeatus BCC199 by solid-state fermentation was improved through the statistical design approach. Among the operational parameters, yeast extract and soybean meal as well as the nonionic surfactant Tween 20 and initial pH were found as key parameters for maximizing production of cellulolytic and hemicellulolytic enzymes. Under the optimized condition, the production of FPase, endoglucanase, ${\beta}$-glucosidase, xylanase, and ${\beta}$-xylosidase was achieved at 23, 663, 88, 1,633, and 90 units/g of dry substrate, respectively. The multi-enzyme extract was highly efficient in the saccharification of alkaline-pretreated rice straw, corn cob, and corn stover. In comparison with commercial cellulase preparations, the BCC199 enzyme mixture was able to produce remarkable yields of glucose and xylose, as it contained higher relative activities of ${\beta}$-glucosidase and core hemicellulases (xylanase and ${\beta}$-xylosidase). These results suggested that the crude enzyme extract from A. aculeatus BCC199 possesses balanced cellulolytic and xylanolytic activities required for the efficient saccharification of lignocellulosic biomass feedstocks, and supplementation of external ${\beta}$-glucosidase or xylanase was dispensable. The work thus demonstrates the high potential of A. aculeatus BCC199 as a promising producer of lignocellulose-degrading enzymes for the biomass conversion industry.
Production of acetic acid from cellulosic biomass by Simultaneous Saccharification and Extractive Fermentation (SSEF) was investigated. The homoacetate organism used in this study was a strain of Clostridium thermoaceticum, ATCC # 49707. A batch operation of Simultaneous Saccharification and Fermentation(SSF) using ${\alpha}$-cellulose at pH 5.5 and 55$^{\circ}C$ yielded 40% conversion of cellulose to acetic acid, while a fed-batch SSF operation produced a maximum acetic acid concentration of 25 g/L, with 50% overall yield. In-situ extractive fermentation to reduce the end-product inhibition on both bacteria and enzyme was carried out. in a batch SSEF using 200 g/L IRA-400 resin, acetic acid concentration reached to 23.9 g/L and acetic acid yield and productivity were observed to be 48% and 0.20 g/L-hr, respectively.
Effects of aqueous ammonia soaking to three annual plants (hemp woody core, tobacco stalk and corn stover) awere investigated to focus on the enzymatic saccharification characteristics change by this treatment. At two different levels of treatment ($90^{\circ}C$-16 h and $45^{\circ}C$-6 days), higher temperature treatment led to more enzymatic saccharification of cellulose to glucose by commercial cellulase mixtures (Celluclast 1.5L and Novozym 342 from Novozyme Korea). Difference among annual plants were significant. corn stover was the best response to enzymatic saccharification of cellulose and xylan by comercial enzymes all treatment conditions but tobacco stalk was the worst response to all of them. chemical composition or physical structure difference may brought this difference.
The effective saccharification of cellulosic biomass to glucose is the most critical step for the conversion of renwable biomass to alternative liquid fuel. The enzymatic hydrolysis of biomass can be significantly enhanced provide the attrition milling media is added during hydrolysis. The enhancing mechanism of hydrolysis reaction in an agitated bead system was investigated. An attrition-reactor (bioattritor) which installed specially designed torque measuring apparatus was developed, and the potimal saccharification conditions of bioattritor were determined. The relationship between the power consumption required for agitation of attrition-milling media and enhanced extent of hydrolysis of biomass was compared to evaluatic economic feasibility of the process.
Lignocellulosic biomass has recalcitrant characteristics against chemical and biological conversion due to its structural heterogeneity and complexity. The pretreatment process to overcome these recalcitrant properties is essential, especially for the biochemical conversion of lignocellulosic biomass. In recent years, pretreatment methods using ionic liquids (ILs) and deep eutectic solvents (DESs) as the green solvent has attracted great attention because of their advantages such as easy recovery, chemical stability, temperature stability, nonflammability, low vapor pressure, and wide liquids range. However, there are some limitations such as high viscosity, poor economical feasibility, etc. to be solved for practical use. This paper reviewed the research activities on the pretreatment effect of various ILs including DESs and their co-solvents with organic solvents on the enzymatic saccharification efficiency of lignocellulosic biomass and the nanocellulose preparation from the pretreated products.
Jimenez-Quero, A.;Pollet, E.;Zhao, M.;Marchioni, E.;Averous, L.;Phalip, V.
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.27
no.1
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pp.1-8
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2017
The production of high-value chemicals from natural resources as an alternative for petroleum-based products is currently expanding in parallel with biorefinery. The use of lignocellulosic biomass as raw material is promising to achieve economic and environmental sustainability. Filamentous fungi, particularly Aspergillus species, are already used industrially to produce organic acid as well as many enzymes. The production of lignocellulose-degrading enzymes opens the possibility for direct fungal fermentation towards organic acids such as itaconic acid (IA) and fumaric acid (FA). These acids have wide-range applications and potentially addressable markets as platform chemicals. However, current technologies for the production of these compounds are mostly based on submerged fermentation. This work showed the capacity of two Aspergillus species (A. terreus and A. oryzae) to yield both acids by solid-state fermentation and simultaneous saccharification and fermentation. FA was optimally produced at by A. oryzae in simultaneous saccharification and fermentation (0.54 mg/g wheat bran). The yield of 0.11 mg IA/g biomass by A. oryzae is the highest reported in the literature for simultaneous solid-state fermentation without sugar supplements.
Gimpel, Javier A.;Ravanal, Maria Cristina;Salazar, Oriana;Lienqueo, Maria Elena
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.28
no.10
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pp.1671-1682
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2018
Alginate lyases (endo and exo-lyases) are required for the degradation of alginate into its constituting monomers. Efficient bioethanol production and extraction of bioactives from brown algae requires intensive use of these enzymes. Nonetheless, there are few commercial alginate lyase preparations, and their costs make them unsuitable for large scale experiments. A recombinant expression protocol has been developed in this study for producing seven endo-lyases and three exo-lyases as soluble and highly active preparations. Saccharification of alginate using 21 different endo/exo-lyase combinations shows that there is complementary enzymatic activity between some of the endo/exo pairs. This is probably due to favorable matching of their substrate biases for the different glycosidic bonds in the alginate molecule. Therefore, selection of enzymes for the best saccharification results for a given biomass should be based on screens comprising both types of lyases. Additionally, different incubation temperatures, enzyme load ratios, and enzyme loading strategies were assessed using the best four enzyme combinations for treating Macrocystis pyrifera biomass. It was shown that $30^{\circ}C$ with a 1:3 endo/exo loading ratio was suitable for all four combinations. Moreover, simultaneous loading of endo-and exo-lyases at the beginning of the reaction allowed maximum alginate saccharification in half the time than when the exo-lyases were added sequentially.
Journal of Korea Technical Association of The Pulp and Paper Industry
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v.42
no.1
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pp.35-40
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2010
Corn stover, hemp woody core and tobacco stalk were treated by dilute ammonium hydroxide soaking for improving the enzymatic saccharification of cellulose and xylan to monosaccharides by commercial cellulase mixtures. As more lignin removal by dilute ammonium hydroxide impregnation led to more enzymatic saccaharification of cellulose and xylan to monosaccharides (corn stover vs tobacco stalk). There was no relationship between xylan removal by dilute ammonium hydroxide impregnation and enzymatic saccharification of polysaccharides in pretreated samples. Except corn stover, lower temperature and longer treatment ($50^{\circ}C$-6 day) was less lignin removal than higher temperature and shorter treatment ($90^{\circ}C$ 16 h). Corn stover showed the highest enzymatic saccharification of cellulose and xylan but tobacco stalk showed the lowest.
The objective of this study was to investigate the efficient pretreatment method for bioethanol production from rice hull. Ammonia and sodium hydroxide as an alkaline solution and dilute sulfuric acid as an acidic solution were used in a batch reactor under high-temperature and high-pressure conditions. The highest enzymatic saccharification efficiency of 82.8% and ash removal rate of 94.7% were obtained in the dilute sulfuric acid treated sample after the sodium hydroxide solution treatment. The enzymatic saccharification efficiencies and ash removals of pretreated rice hull samples have very similar variation tendency. This means that the maximum obstructive factor for the enzymatic saccharification of rice hull is the ash (silicate) content in biomass. The findings suggest that the combined sodium hydroxide-dilute sulfuric acid treatment system under high-temperature and high-pressure conditions is a promising pretreatment method to enhance the enzymatic saccharification of the silica-rich biomass.
Sunwoo, In Yung;Nguyen, Trung Hau;Sukwong, Pailin;Jeong, Gwi-Teak;Kim, Sung-Koo
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.28
no.3
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pp.401-408
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2018
The waste seaweed from Gwangalli beach, Busan, Korea was utilized as biomass for ethanol production. Sagassum fulvellum (brown seaweed, Mojaban in Korean name) comprised 72% of the biomass. The optimal hyper thermal acid hydrolysis conditions were obtained as 8% slurry contents, 138 mM sulfuric acid, and $160^{\circ}C$ of treatment temperature for 10 min with a low content of inhibitory compounds. To obtain more monosaccharides, enzymatic saccharification was carried out with Viscozyme L for 48 h. After pretreatment, 34 g/l of monosaccharides were obtained. Pichia stipitis and Pichia angophorae were selected as optimal co-fermentation yeasts to convert all of the monosaccharides in the hydrolysate to ethanol. Co-fermentation was carried out with various inoculum ratios of P. stipitis and P. angophorae. The maximum ethanol concentration of 16.0 g/l was produced using P. stipitis and P. angophorae in a 3:1 inoculum ratio, with an ethanol yield of 0.47 in 72 h. Ethanol fermentation using yeast co-culture may offer an efficient disposal method for waste seaweed while enhancing the utilization of monosaccharides and production of ethanol.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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