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.
Some mixed culture systems consisting of koji molds and yeast were tested for the ethanol production by simultaneous saccharification and fermentation using polished rice as the substrate. Aspergillus shirousamii showed the highest ethanol production in the mixed culture with Saccharomyces cerevisiae on steamed rice added with 150 ml water in 250 ml Erlenmeyer flask. The optimum initial pH, temperature and specific surface for the ethanol production in this system were 6.5, $30^{\circ}C$, and 0.1, respectively. Under this condition, 12.9% ethanol was produced with inoculation with $5{\times}10^2$ conidia/ml of A. shirousamii and $5{\times}10^6\;cells/ml$ of S. cerevisiae in 10 days.
In order to develop economic processes for ethanol production from starch, a simultaneous saccharification and fermentation(SSF) process using Zymomonas mobilis and amyloglucosidase (AMG) was studied in semibatch modes using cell recycle. The cell recycle was carried out by adopting two different methods; microfiltration and settling. The cell recycle using microfiltration revealed higher productivity(5.4 g/l/h) than that using a settler(4.3 g/l/h). Taking the large-scale ethanol fermentation into account, the semibatch process using microfiltration system appeared most promising among others with respect to ethanol productivity, feasibility of scale-up and simplification of operation.
Pretreatment of cellulosic biomass is necessary before enzymatic saccharification and fermentation. The objective of this study was to evaluate the effect of combined aqueous ammonia-dilute sulfuric acid treatment on cellulosic biomass. Miscanthus was pretreated using aqueous ammonia and dilute sulfuric acid solution under high temperature and pressure conditions to be converted into bioethanol. Aqueous ammonia treatment was performed with 15 %(w/w) ammonia solution at $150^{\circ}C$ of reaction temperature and 20 minutes of reaction time. And then, dilute sulfuric acid treatment was performed with 1.0 %(w/w) sulfuric acid solution at $150^{\circ}C$ of reaction temperature and 10 minutes of reaction time. The compositional variations of this combined aqueous ammonia-dilute sulfuric acid treatment resulted in 68.0 % of cellulose recovery and 95.7 % of hemicellulose, 81.3 % of lignin, 89.1 % of ash removal respectively. The enzymatic digestibility of 90.5 % was recorded in the combined pretreated Miscanthus sample and it was 14.7 times higher than the untreated sample. The ethanol yield in the Simultaneous Saccharification and Fermentation was 90.4 % of maximum theoretical yield based on cellulose content of the combined pretreated sample and it was about 98 % compared to the ${\alpha}$-cellulose ethanol yield.
lactic acid production from cellulose by simultaneous saccharification and fermentation(SSF) was studied. The SSF using cellulase enzyme Cytolase CL and Lactobacillus delbrueckii was strongly inhibited by the end product(lactic acid). An ion-exchange resin(RA-400) was used for in-situ product removal during SSF. The sorption capacity of the resin was 200mg/g-resin. The simple SSF and the extractive SSF resulted in lactic acid concentrations of 30.4g/L and 32.0g/L, respectively, at the initial substrate concentration of 50g/L. A model was developed to simulate the extractive SSF. The lactic acid conversion for the initial substrate of 100g/L was estimated to be improved from 60% to 09% by in-situ product removal. The experimentally determined kinectic parameters were pH dependent, and fitted as empirical expressions to establish their values at different pH's. Lactic acid productivity was predicted to be maximum at pH 4.5-5.0.
The bioethanol for use as a liquid fuel by fermentation of renewable biomass as an alternative to petroleum is important from the viewpoint of global environmental protection. Recently, many scientists have attempted to increase the productivity of bioethanol process by developing specific microorganism as well as optimizing the process conditions. In the present study, which is based on our previous investigation on the pretreatment process, theproductivity of bioethanol obtained from simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process was compared between various domestic materials including barley, brown rice, corn and sweet potato. Additionally, Solid glucoamylase (SGA; developed in Changhae Co.), from modified strain with UV, was used. The result was compared to commercial glucoamylase (GA). It was observed that the fermentation rate was increased together with the yield which can be derived from the final ethanol concentration. Especially, in the case of brown rice, compared to the experimental results using GA, the final ethanol concentration was 1.25 times higher and 18.4 g/L of the yield was increased. Also, the time required for reaching 95% of the maximum ethanol concentration is significantly reduced, which is approximately 36 hours, compared to 88 hours using GA. It means that SGA has excellent saccharogenic power.
The optimal condition of the ethanol fermentation from raw cassava starch by simultaneous saccharification - fermentation (SSF) was studied using glucoamylase from Aspergillus sp. and a yeast strain. The rate and yield of ethanol production were optimum at pH 3.6 with shaking. The fine milling treatment was effective for both saccharification and SSF of raw cassava starch. The presaccharification at 6$0^{\circ}C$ for 1 hr before SSF increased the rate and yield of ethanol production, as well. To increase the ethanol concentration after fermentation the substrate concentration could be increased up to 2195 without the problem of viscosity. The use of high concentration ethanol tolerant yeast strains and high substrate concentration produced ethanol higher than 10%(W/V) after fermentation for 5 days.
The fed-bach simultaneous saccharification and fermentation (SSF) of newspaper to ethanol with Brettanomyces custersii was studied. The initial substrate concentration for the effective fed-batch SSF was 8% (w/v). The initial optimum enzyme concentration was 30 FPU/g cellulose for cellulase and the optimum volumetric ratio of $\beta$-glucosidase to cellulase was 0.1. When 4% (w/v) of ball-milled newspaper was supplemented intermittently at time intervals, considering the mixing of newspaper slurry, the fed-batch SSF showed higher ethanol concentration (26.80 g/L) and two times higher ethanol production yield based on enzyme than the batch SSF.
Lactic acid production from ${\alpha}$-cellulose by simultaneous saccharification and fermentation (SSF) was studied. The cellulose was converted in a batch SSF using cellulase enzyme Cytolase CL to produce glucose sugar and Lactobacillus delbrueckii to ferment the glucose to lactic acid. The effects of temperature, PH, yeast extract loading, and lactic acid inhibition were studied to determine the optimum conditions for the batch processing. Cellulose was converted efficiently to lactic acid, and enzymatic hydrolysis was the rate controlling step in the SSF. The highest conversion rate was obtained at 46$^{\circ}C$ and pH 5.0. The observed yield of lactic acid from ${\alpha}$-cellulose was 0.90 at 72 hours. The optimum pH of the SSF was coincident with that of enzymatic hydrolysis. The optimum temperature of the SSF was chosen as the highest temperature the microoraganism could withstand. The optimum yeast extract loading was found to be 2.5g/L. Lactic acid was observed to be inhibitory to the microorganisms' activity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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