D-Ribose is a five-carbon sugar used for the commercial synthesis of riboflavin, antiviral agents, and flavor enhancers. Batch fermentations with transketolase-deficient B. subtilis JY1 were carried out to optimize the production of D-ribose from xylose. The best results for the fermentation were obtained with a temperature of $37^{\circ}C$ and an initial pH of 7.0. Among various sugars and sugar alcohols tested, glucose and sucrose were found to be the most effective for both cell growth and D-ribose production. The addition of 15 g/l xylose and 15 g/l glucose improved the fermentation performance, presumably due to the adequate supply of ATP in the xylose metabolism from D-xylulose to D-xylulose-5-phosphate. A batch culture in a 3.7-1 jar fermentor with 14.9 g/l xylose and 13.1 g/l glucose resulted in 10.1 g/l D-ribose concentration with a yield of 0.62 g D-ribose/g sugar consumed, and 0.25 g/l-h of productivity. Furthermore, the sugar utilization profile, indicating the simultaneous consumption of xylose and glucose, and respiratory parameters for the glucose and sucrose media suggested that the transketolase-deficient B. subtilis JY1 lost the glucose-specific enzyme II of the phosphoenolpyruvate transferase system.
Ethanol and Xylose were produced from cellulosic agricultural waste such as rice straw and corn cob by a single-step simultaneous hydrolysis-fermentation process utilizing semi-solid culture of Trithoderma as enzyme source and Saccharomyces yeast. By this process all the hexoses prduoced by the enzyme were converted to ethanol leaving pentoses which are not fermented by the yeast. By processing 50 g of rice straw, 18 ml of ethanol and 2.7 g of xylose were produced and 50 g corn cob produced 3.8 ml of ethanol and 10.8 g of xylose. Alkali-treatment of rice straw showed little effects on the productivities of ethanol and xylose. The possible reasons are discussed.
Three recombinant Saccharomyces cerevisiae strains showing different levels of xylose reductase activity were constructed to investigate the effects of xylose reductase activity and glucose feed rate on xylitol production. Conversion of xylose to xylitol is catalyzed by xylose reductase of Pichia stipitis with cofactor NAD(P)H. A two-substrate fermentation strategy has been employed where glucose is used as an energy source for NADPH regeneration and xylose as substrate for xylitol production. All recombinant S. cerevisiae strains Yielded similar specific xylitol productivity, indicating that xylitol production in the recombinant S. cerevisiae was more profoundly affected by the glucose supply and concomitant It generation of cofactor than the xylose reductase activity itself. It was confirmed in a continuous culture that the elevation of the glucose feeding level in the xylose-conversion period enhanced the xylitol productivity in the recombinant S. cerevisiae.
Kim, Sang-Yong;Yoon, Sang-Hyun;Kim, Jung-Min;Oh, Deok-Kun
Korean Journal of Food Science and Technology
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v.28
no.5
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pp.970-973
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1996
Effect of cell density on the xylitol production from xylose by Candida parapsilosis KFCC 10875 was investigated. The concentrated cells were obtained by centrifugation of culture broth. The xylitol production rate was maximum at the cell concentration of 20 g/l and the specific xylitol production rate decreased when the cell concentration was increased due to oxygen limitation. Effect of the initial concentration of xylose on the xylitol production was also examined using the concentrated cells of 20 g/l. The xylitol production rate, specific xylitol production rate, and xylitol yield from xylose were maximum at 170 g/l xylose. Above 170 g/l xylose, the xylitol production rate was remarkably decreased. The concentrated cells could also be obtained by adjusting the dissolved oxygen (DO) during fermentation. The rapid accumulation of cells up to 20 g/l was achieved by maintaining an increased level of DO during the exponential growth phase and then, for the efficient xylitol production, the DO was changed to a low level in the range of 0.7-1.5%. A fed-batch fermentation of xylose by adjusting the DO level was carried out in a fermentor and the final xylitol concentration of 140 g/l from xylose of 200 g/l could be obtained for 56 h fermentation.
It is indispensable to increase the conversion rate of a reducing sugars such as pentose and hexose derived from cellulosic wastes for a highly efficient bioethanol fermentation from food wastes. The saccharification liquid from cellulosic substrates such as vegetable food wastes contained lots of hexose like glucose and pentose like xylose. Since Saccharomyces-based yeasts could not convert xylose to bioethanol, Pichia stipitis which could directly ferment xylose to ethanol was chosen. After selecting Saccharomyces coreanus and P. stipitis, fermentation characteristics by mixture of two yeasts were investigated. As a result, it was verified the production of ethanol was enhanced by the co-fermentation, although there were somewhat differences between the fermentation characteristics by the aeration methods. Moreover, the consumption of pentose, hexose and disaccharide was obviously observed, and aeration in the process of fermentation seemed to stimulate the activity of P. stipitis.
Glucose and xylose are the most abundant materials in nature which can be used to produce ethanol by yeast fermentation. Three combinations of cultivation with glucose and xylose were carried out; separated, co-culture, and sequential fermentation with Saccharomyces cerevisiae and Pichia stipitis. In the separated fermentation, S. cerevisiae fermented glucose to produce 14.5 g/l ethanol from 29.4 g/l glucose but hardly used xylose. However, P. stipitis utilized not only glucose but also xylose to produce ethanol 11.9 g/l and 11.6 g/l from 29.4 g/l glucose and 29.0 g/l xylose, respectively. In the mixture of glucose and xylose, P. stipitis fermented both sugars, producing 21.1 g/l ethanol while S. cerevisiae fermented only glucose, producing 13.4 g/l ethanol. In the co-culture and sequential fermentation, the co-culture showed more efficient ethanol productivity with 18.6 g/l ethanol than the sequential fermentation with 12.4 g/l ethanol. To investigate the effect of nutrients in the growth of microorganisms and ethanol production, yeast nitrogen base (YNB) was used in the sequential fermentation with S. cerevisiae and P. stipitis. YNB supplemented some nutrients which S. cerevisiae used up in the broth and the culture showed increased growth rate, increased consumption of xylose, and increased ethanol productivity producing 22.5 g/l ethanol from 54.6 g/l sugar with a yield of 0.41 g/g.
Candida tropicalis, an osmophilic strain isolated from honeycomb, produced xylitol at a maximal volumetric production rate of 3.5 g $l^{-1}$$h^{-1}$ from an initial xylose concentration of 200 g $l^{-1}$. Even with a very high xylose concentration, e.g., 350 g $l^{-1}$, this strain produced xylitol at a moderate rate of 2.07 g $l^{-1}$$h^{-1}$. In a fed-batch fermentation of xylose and glucose, 260 g $l^{-1}$ of xylose was added, and xylitol production was 234 g $l^{-1}$ for 48 h, corresponding to a rate of 4.88 g $l^{-1}$$h^{-1}$. To increase the xylitol production rate, cells were recycled in a submerged membrane bioreactor with suction pressure and air sparging. In cell-recycle fermentation, the average concentration of xylitol produced per recycle round, total fermentation time, volumetric production rate, and product yield for ten rounds were 180 g $l^{-1}$, 195 h, 8.5 g $l^{-1}$$h^{-1}$, and 85%, respectively. When cell-recycle fermentation was started with the cell mass contratrated two-fold after batch fermentation and was performed for ten recycle rounds, we achieved a very high production rate of 12 g $l^{-1}$$h^{-1}$. The production rate and total amount of xylitol produced in cell-recycle fermentation were 3.4 and 11 times higher than in batch fermentation, respectively.
A yeast strain, BT001, which can directly ferment D-xylose to ethanol was isolated from forest soils, and then identified as Candida sp. Cultural conditions for the optimum ethanol production, along with the effects of aeration on cell growth and ethanol production were investigated. Aeration stimulated the cell growth and the volumetric rate of ethanol production, but decreased the ethanol yield. Optimum temperature and initial pH for the ethanol production were $33{\circ}^C$ and 6.0, respectively. In a shake flask culture, this strain produced 52.3 g ethanol per liter from 12%(w/v) D-xylose after incubation for 96 hours. Ethanol yield was 0.436 g per g D-xylose consumed. This corresponds to 85.8% of theoretical yield. Also, this yeast strain produced ethanol from D-galactose, D-glucose and D-mannose, but not from L-arabinose and L-rhamnose. Among these sugars, D-glucose was the fastest in being converted to ethanol sugars.
Hydrolyzates from lignocellulosic biomass contain a mixture of simple sugars; the predominant ones being glucose, cellobiose and xylose. The fermentation of such mixtures to ethanol or other chemicals requires an understanding of how each of these substrates is utilized. Candida lusitaniae can efficiently produce ethanol from both glucose and cellobiose and is an attractive organism for ethanol production. Experiments were performed to obtain kinetic data for ethanol production from glucose, cellobiose and xylose. Various combinations were tested in order to determine kinetic behavior with multiple carbon sources. Glucose was shown to repress the utilization of cellobiose and xylose. However, cellobiose and xylose were simultaneously utilized after glucose depletion. Maximum volumetric ethanol production rates were 0.56, 0.33, and 0.003 g/L h from glucose, cellobiose and xylose, respectively. A kinetic model based on cAMP mediated catabolite repression was developed. This model adequately described the growth and ethanol production from a mixture of sugars in a batch culture.
Two stage fermentations of glucose/xylose mixture which is similar composition with rice straw hemicellulose hydrolysate were performed by Candida mogii ATCC 18364. In first stage, glucose was consumed rapidly for cell growth in aerobic condition (2 vvm, 300 rpm), then D-xylose was used for xylitol production in semi-aerobic condition (1 vvm, 300 rpm). After 4 days of fermentation, about $24\;g/{\ell}$ xylitol was produced with a yield of 0.58 g/g and volumetric productivity of $0.25\;g/{\ell}{\cdot}h$. To improve the xylitol yield by reduction of xylose consumption for cell growth and maintenance, D-glucose was continuously supplemented during the second stage of fermentation. By D-glucose feeding of $6.8\;g/{\ell}{\cdot}$ day, xylitol was produced up to $29\;g/{\ell}$ with a yield of 0.8 g/g and volumetric productivity $0.30\;g/{\ell}{\cdot}h$ which are 1.2-1.3 times higher than those obtained without D-glucose feeding.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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