Carob waste is a useful raw material for the second-generation ethanol because 50% of its dry weight is sucrose, glucose, and fructose. To optimize the process, we have studied the influence of the initial concentration of sugars on the fermentation performance of Saccharomyces cerevisiae. With initial sugar concentrations (S0 ) of 20 g/l, the yeasts were derepressed and the ethanol produced during the exponential phase was consumed in a diauxic phase. The rate of ethanol consumption decreased with increasing S0 and disappeared at 250 g/l when the Crabtree effect was complete and almost all the sugar consumed was transformed into ethanol with a yield factor of 0.42 g/g. Sucrose hydrolysis was delayed at high S0 because of glucose repression of invertase synthesis, which was triggered at concentrations above 40 g/l. At S0 higher than 250 g/l, even when glucose had been exhausted, sucrose was hydrolyzed very slowly, probably due to an inhibition at this low water activity. Although with lower metabolic rates and longer times of fermentation, 250 g/l is considered the optimal initial concentration because it avoids the diauxic consumption of ethanol and maintains enough invertase activity to consume all the sucrose, and also avoids the inhibitions due to lower water activities at higher S0 .
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.
An, Jin-Yeong;Choe, Jeong-Gyu;Sim, Sang-Jun;Kim, Byeong-U
한국생물공학회:학술대회논문집
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2000.11a
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pp.229-232
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2000
The carbon dioxide, nitrogen, and phosphate removals from wastewater using microalgae have extensively been studied. Especially, the green colonial algae Botryococcus braunii is characterized by unusual high hydrocarbon contents, ranging from 15 to 75% of dry weight, as long-chain unsaturated hydrocarbons. These hydrocarbons suggest that the possibility of renewable biofuels to be converted into useful fuels such as gasoline by simple catalytic cracking. The poor recovery (18 - 32%) of hydrocarbon from B. braunii culture in two-phase bubble column seems to be caused by insufficient mixing between two phases, which was operated using only aeration on the narrow interface between hydrophobic solvent and cell suspension. In addition, hydrocarbon was entrapped tightly in cell-matrix (formed by exopolysaccharide) of algal colony, which make difficult to extract using two-phase system. In order to overcome low recovery efficiency, two-stage extraction culture system including culture vessel and two-phase separator is now under development, resulted improving contact between solvent phase and cell suspension. Hydrocarbon recovery using this process was more than two times as that using two-phase extraction culture.
Hong, Ji Won;Kang, Nam Seon;Jang, Hyeong Seok;Kim, Hyung June;An, Yong Rock;Yoon, Moongeun;Kim, Hyung Seop
Ocean and Polar Research
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v.41
no.4
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pp.289-309
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2019
Marine microalgae have long been used as food additives and feeds for juvenile fish and invertebrates as their nutritional content is beneficial for humans and marine aquaculture species. Recently, they have also been recognized as a promising source for cosmeceutical, nutraceutical, and pharmaceutical products as well as biofuels. Marine microalgae of various species are rich in multiple anti-oxidant phytochemicals and their bioactive components have been employed in cosmetics and dietary supplements. Oil contents in certain groups of marine microalgae are extraordinarily rich and abundant and therefore have been commercialized as omega-3 and omega-6 fatty acid supplements and mass production of microalgae-based biodiesels has been demonstrated by diverse research groups. Numerous natural products from marine microalgae with significant biological activities are reported yearly and this is attributed to their unique adaptive abilities to the great diversity of marine habitats and harsh conditions of marine environments. Previously unknown toxin compounds from red tide-forming dinoflagellates have also been identified which opens up potential applications in the blue biotechnology sector. This review paper provides a brief overview of the biotechnological potentials of Korean marine microalgae. We hope that this review will provide guidance for future marine biotechnology R&D strategies and the various marine microalgae-based industries in Korea.
Although microalgae are considered as a promising feedstock for biofuels, cost-efficient harvesting of microalgae needs to be significantly improved. In this study, the use of electro coagulation as a more rapid flocculation method for harvesting a freshwater (Scenedesmus dimorphus) microalgae species was evaluated. The results showed that, electro coagulation was shown to be more efficient using an aluminum anode than using an iron anode. And optimum conditions of electro coagulation for harvesting Scenedesmus dimorphus were found. The optimum stirring speed was 100 rpm and optimum pH was 5. Furthermore, the current density which the fastest and highest recovery efficiency is achieved at $30A/m^2$, while the highest energy efficiency was achieved at $10A/m^2$. A the rapid and high recovery efficiency indicate that electro coagulation is a particularly attractive technology for harvesting microalgae.
Nitrogen is one of the most critical nutrients affecting cell growth and biochemical composition of microalgae, ultimately determining the lipid or carbohydrate productivity for biofuels. In order to investigate the effect of nitrogen sources on the cell growth and biochemical composition of the marine microalga Tetraselmis sp., nine different N sources, including NaNO3, KNO3, NH4NO3, NH4HCO3, NH4Cl, CH3COONH4, urea, glycine, and yeast extract were compared at the given concentration of 8.82 mM. Higher biomass concentration was achieved under organic nitrogen sources, such as yeast extract (2.23 g L−1) and glycine (1.62 g L−1), compared to nitrate- (1.45 g L−1) or ammonium-N (0.98 g L−1). All ammonium sources showed an inhibition of cell growth, but accumulated higher lipids, showing a maximum content of 28.3% in ammonium bicarbonate. When Tetraselmis sp. was cultivated using yeast extract, the highest lipid productivity of 36.0 mg L−1 d−1 was achieved, followed by glycine 21.5 mg L−1 d−1 and nitrate 19.9 mg L−1 d−1. Ammonium bicarbonate resulted in the lowest lipid productivity of 14.4 mg L−1 d−1. The major fatty acids in Tetraselmis sp. were palmitic, oleic, linoleic and linolenic acids, regardless of the nutritional compositions, indicating the suitability of this species for biodiesel production.
Contreras-Pool, Patricia Yolanda;Peraza-Echeverria, Santy;Ku-Gonzalez, Angela Francisca;Herrera-Valencia, Virginia Aurora
ALGAE
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v.31
no.3
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pp.267-276
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2016
Microalgae are currently a very promising source of biomass and triacylglycerol (TAG) for biofuels. In a previous study, we identified Chlorella saccharophila as a suitable source of oil for biodiesel production because it showed high biomass and lipid content with an appropriate fatty acid methyl esters profile. To improve the TAG accumulation in C. saccharophila, in this study we evaluated the effect of abscisic acid (ABA) addition on cell concentration, lipid content and TAG production in this microalga. First, we evaluated the effects of four ABA concentrations (1, 4, 10, and 20 μM) added at the beginning of a single-stage cultivation strategy, and found that all concentrations tested significantly increased cell concentration and TAG content in C. saccharophila. We then evaluated the addition of 1 μM ABA during the second stage of a two-stage cultivation strategy and compared it with a nitrogen deficiency treatment (ND) and a combination of ND and ABA (ND + ABA). Although ABA alone significantly increased lipid and TAG contents compared with the control, ND showed significantly higher TAG content, and ND + ABA showed the highest TAG content. When comparing the results of both strategies, we found a superior response in terms of TAG accumulation with the addition of 1 μM ABA at the beginning of a single-stage cultivation system. This strategy is a simple and effective way to improve the TAG content in C. saccharophila and probably other microalgae as a feedstock for biodiesel production.
To overcome the depletion of fossil fuels and environmental problems in future, the research and production of biofuels have attracted attention largely. Thermophilic microorganisms produce effective and robust enzymes which can hydrolyze plant biomass and survive under harsh bioprocessing conditions. Caldicellulosiruptor bescii, which can degrade unpretreated plants and grow on them, is the one of the best candidates for consolidated bioprocessing (CBP). C. bescii can hydrolyze pectin efficiently as well as the major plant cell wall components, cellulose and hemicelluloses. Many glycosyl hydrolases and carbohydrate lyases with multidomain structure play an important role in plant biomass decomposition. Recently genetic tools for metabolic engineering of C. bescii have developed and bioethanol production from unpretreated biomass is achieved in C. bescii. Here, we review the recent studies for biomass degradation by C. bescii and bioethanol production in C. bescii in order to provide information about metabolic engineering of themophilic bacteria and biofuel development.
Choi, Ki-Chul;Woo, Jung-Hun;Kim, Hyeon Kook;Choi, Jieun;Eum, Jeong-Hee;Baek, Bok H.
Asian Journal of Atmospheric Environment
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v.7
no.1
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pp.25-37
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2013
Open biomass burning (excluding biofuels) is an important contributor to air pollution in the Asian region. Estimation of emissions from fires, however, has been problematic, primarily because of uncertainty in the size and location of sources and in their temporal and spatial variability. Hence, more comprehensive tools to estimate wildfire emissions and that can characterize their temporal and spatial variability are needed. Furthermore, an emission processing system that can generate speciated, gridded, and temporally allocated emissions is needed to support air-quality modeling studies over Asia. For these reasons, a biomass-burning emissions modeling system based on satellite imagery was developed to better account for the spatial and temporal distributions of emissions. The BlueSky Framework, which was developed by the USDA Forest Service and US EPA, was used to develop the Asian biomass-burning emissions modeling system. The sub-models used for this study were the Fuel Characteristic Classification System (FCCS), CONSUME, and the Emissions Production Model (EPM). Our domain covers not only Asia but also Siberia and part of central Asia to assess the large boreal fires in the region. The MODIS fire products and vegetation map were used in this study. Using the developed modeling system, biomass-burning emissions were estimated during April and July 2008, and the results were compared with previous studies. Our results show good to fair agreement with those of GFEDv3 for most regions, ranging from 9.7 % in East Asia to 52% in Siberia. The SMOKE modeling system was combined with this system to generate three-dimensional model-ready emissions employing the fire-plume rise algorithm. This study suggests a practicable and maintainable methodology for supporting Asian air-quality modeling studies and to help understand the impact of air-pollutant emissions on Asian air quality.
Kim, Oh Cheol;Kim, Sang-Yoon;Hwang, Dong Hyeon;Oh, Doo-Byoung;Kang, Hyun Ah;Kwon, Ohsuk
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.23
no.3
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pp.304-312
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2013
The thermotolerant methylotrophic yeast Hansenula polymorpha is attracting interest as a potential strain for the production of recombinant proteins and biofuels. However, only limited numbers of genome engineering tools are currently available for H. polymorpha. In the present study, we identified the HpPOL3 gene encoding the catalytic subunit of DNA polymerase ${\delta}$ of H. polymorpha and mutated the sequence encoding conserved amino acid residues that are important for its proofreading 3'${\rightarrow}$5' exonuclease activity. The resulting $HpPOL3^*$ gene encoding the error-prone proofreading-deficient DNA polymerase ${\delta}$ was cloned under a methanol oxidase promoter to construct the mutator plasmid pHIF8, which also contains additional elements for site-specific chromosomal integration, selection, and excision. In a H. polymorpha mutator strain chromosomally integrated with pHIF8, a $URA3^-$ mutant resistant to 5-fluoroorotic acid was generated at a 50-fold higher frequency than in the wild-type strain, due to the dominant negative expression of $HpPOL3^*$. Moreover, after obtaining the desired mutant, the mutator allele was readily removed from the chromosome by homologous recombination to avoid the uncontrolled accumulation of additional mutations. Our mutator system, which depends on the accumulation of random mutations that are incorporated during DNA replication, will be useful to generate strains with mutant phenotypes, especially those related to unknown or multiple genes on the chromosome.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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