The hydrolyzates of lignocellulosic biomass contain a mixture of glucose, xylose and cellobiose. The yeast which can produce ethanol efficiently from xylose and cellobiose was selected and its growth and ethanol formation behavior on each sugar and their mixture were investigated. Ethanol yields during batch culture of Pichia stipitis CBS 5776 were 0.4. 0.36 and 0.23 g/g substrate on glucose, xylose and cellobiose, respectively. Mixed sugar fermentation data indicate that glucose causes catabolite regulation on xylose and cellobiose utilization. However, xylose and cellobiose were utilized simultaneously. Ethanol yields on mixtures of sugars were generally additive for each of the substrates.
Simultaneous isomerisation and fermentation (SIF) of xylose and simultaneous isomerisation and cofermentation (SICF) of glucose-xylose mixture was carried out by the yeast Saccharomyces cerevisiae in the presence of a compatible xylose isomerase. The enzyme converted xylose to xylulose and S. cerevisiae fermented xylulose, along with glucose, to ethanol at pH 5.0 and $30^{\circ}C$. This compatible xylose isomerase from Candida boidinii, having an optimum pH and temperature range of 4.5-5.0 and $30-35^{\circ}C$ respectively, was partially purified and immobilized on an inexpensive, inert and easily available support, hen egg shell. An immobilized xylose isomerase loading of 4.5 IU/(g initial xylose) was optimum for SIF of xylose as well as SICF of glucose-xylose mixture to ethanol by S. cerevisiae. The SICF of 30 g/L glucose and 70 g xylose/L gave an ethanol concentration of 22.3 g/L with yield of 0.36 g/(g sugar consumed) and xylose conversion efficiency of $42.8\%$.
Mutant sugar transporter ScGAL2-N376F was overexpressed in Kluyveromyces marxianus for efficient utilization of xylose, which is one of the main components of cellulosic biomass. K. marxianus ScGal2_N376F, the ScGAL2-N376F-overexpressing strain, exhibited 47.04 g/l of xylose consumption and 26.55 g/l of xylitol production, as compared to the parental strain (24.68 g/l and 7.03 g/l, respectively) when xylose was used as the sole carbon source. When a mixture of glucose and xylose was used as the carbon source, xylose consumption and xylitol production rates were improved by 195% and 360%, respectively, by K. marxianus ScGal2_N376F. Moreover, the glucose consumption rate was improved by 27% as compared to that in the parental strain. Overexpression of both wild-type ScGAL2 and mutant ScGAL2-N376F showed 48% and 52% enhanced sugar consumption and ethanol production rates, respectively, when a mixture of glucose and galactose was used as the carbon source, which is the main component of marine biomass. As shown in this study, ScGAL2-N376F overexpression can be applied for the efficient production of biofuels or biochemicals from cellulosic or marine biomass.
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.
Suk-Jin Oh;Hong-Ju Lee;Jeong Hyeon Hwang;Hyun Jin Kim;Nara-Shin;Sang-Ho Lee;Seung-Oh Seo;Shashi Kant Bhatia;Yung-Hun Yang
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.34
no.3
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pp.700-709
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2024
Polyhydroxybutyrate (PHB) production from lignocellulosic biomass is economically beneficial. Because lignocellulosic biomass is a mixture rich in glucose and xylose, Escherichia coli, which prefers glucose, needs to overcome glucose repression for efficient biosugar use. To avoid glucose repression, here, we overexpressed a xylose regulator (xylR) in an E. coli strain expressing bktB, phaB, and phaC from Cupriavidus necator and evaluated the effect of xylR on PHB production. XylR overexpression increased xylose consumption from 0% to 46.53% and produced 4.45-fold more PHB than the control strain without xylR in a 1% sugar mixture of glucose and xylose (1:1). When the xylR-overexpressed strain was applied to sugars from lignocellulosic biomass, cell growth and PHB production of the strain showed a 4.7-fold increase from the control strain, yielding 2.58 ± 0.02 g/l PHB and 4.43 ± 0.28 g/l dry cell weight in a 1% hydrolysate mixture. XylR overexpression increased the expression of xylose operon genes by up to 1.7-fold. Moreover, the effect of xylR was substantially different in various E. coli strains. Overall, the results showed the effect of xylR overexpression on PHB production in a non-native PHB producer and the possible application of xylR for xylose utilization in E. coli.
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.
Low cost fermentation substrates frequently contain a mixture of carbon sources including hexoses, pentoses and disaccharides. Fermentation of such mixtures requires an understanding of how each of these substrates is utilized. During batch culture of Pichia stipitis CBS 5776 on sugar mixtures, glucose causes catabolite repression of xylose and cellobiose utilization. Also, glucose causes a permanent repression of xylose utilization as evidenced by reduced growth rates during the xylose phase of glucose/xylose fermentation. The growth model for multiple substrates is developed based on a cyclic AMP mediated catabolite repression mechanism and this model adequately described the growth and ethanol production from sugar mixtures.
P. stipitis CBS5776 was cultivated to examine the characteristics of ethanol fermentation for hexoses (mannose, g1ucose, and galactose) and pentoses(xylose and arabinose). Glucose was the best carbon source among the sugars used in terms of ethanol yield. Glucose was used to produce ethanol with an yield coefficient 0.376g ethanol/g glucose, whereas mannose was converted to produce ethanol with an yield coefficient 0.326g ethanol/g mannose. P. stipitis CBS5776 was also grown in a mixture of sugars to study the pattern of carbon utilization. The yeast utilized glucose and mannose firsts and then galastose and xylose as carbon sources. Arabinose was partially used for biomass when it was present as a sole carbon source, but it was not metabolized at all in a mixture of carbon sources. P. stipitis produced $12.2g/\ell$ ethanol with a yield coefficient 0.332 g ethano1/g sugar in a mixture of sugars.
Bacillus stearotheymophilus, a potent xylanolytic bacterium isolated from soil, was tested for the strain's strategies of pentose utilization and the evidence of substrate preferences. The strain metabolized glucose, xylose, ribose, maltose, cellobiose, sucrose, arabinose and xylitol. The efficacy of the sugars as a carbon and energy source in this strain was of the order named above. The organism, however, could not grow on glycerol as a sole growth substrate. During cultivation on a mixture of glucose and xylose or arabinose, the major hydrolytic products of xylan, B. stearothermophilus displayed classical diauxic growth in which glucose was utilized during the first phase. On the other hand, the pentose utilization was prevented immediately upon addition of glucose. Cellobiose was preferred over xylose or arabinose. In contrast, maltose and pentose were co-utilized, and also no preference on between xylose and arabinose. Enzymatic studies indicated that B. stearothermophilus possessed constitutive hexokinase, a key enzyme of the glucose metabolic system. While, the production of $^{D}$-xylose isomerase, $^{D}$-xylulokinase and $^{D}$-arabinose isomerase essential for pentose phosphate pathway were induced by xylose, xylan, and xylitol but repressed by glucose. Taken together, the results suggested that the sequential utilization of B. stearothermophilus would be mediated by catabolite regulatory mechanisms such as catabolite inhibition or inducer exclusion.
To increase the production of ethanol by using sugar from lignocellulosic biomass, pentose and hexose have to be fermented simultaneously by yeast. The effects of mixed sugar and nitrogen on ethanol production by immobilized Pichia stipitis KCCM 12009 were investigated. When optimal mixed sugar and nitrogen concentration were 5% (Glucose/Xylose = 3:1) and 1%, respectively, ethanol concentration produced by immobilized P. stipitis was 19-20 g/L. In repeated fed-batch by immobilized P. stipitis, all glucose was consumed very quickly at 1-3% mixed sugar concentration. But, xylose consumption was decreased as the mixed sugar concentration increased. Also, ethanol (5.6 g/L) was stably produced and ethanol production rate was 0.13 g/$L{\cdot}h$ in immobilized cell reactor (ICR) with 1% mixed sugar (Glucose/Xylose = 3:1) as feeding media.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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