Biological conversion of biomass into fuels and chemicals requires hydrolysis of the polysaccharide fraction into monomeric sugars. Hydrolysis can be performed enzymatically, and with dilute or concentrate mineral acids. In this study, dilute sulfuric acid used as a catalyst for the hydrolysis of rapeseed straw. The purpose of this study is to optimize the hydrolysis process in a 15ml bomb tube reactor and investigate the effects of the acid concentration, temperature and reaction time on the hemicellulose removal and consequently on the production of sugars (xylose, glucose and arabinose) as well as on the formation of by-products (furfural, 5-hydroxymethylfurfural and acetic acid). Statistical analysis was based on a model composition corresponding to a $3^3$ orthogonal factorial design and employed the response surface methodology (RSM) to optimize the hydrolysis conditions, aiming to attain maximum xylose extraction from hemicellulose of rapeseed straw. The obtained optimum conditions were: acid concentration of 0.77%, temperature of $164^{\circ}C$ with a reaction time of 18min. Under these conditions, 75.94% of the total xylose was removed and the hydrolysate contained 0.65g $L^{-1}$ Glucose, 0.36g $L^{-1}$ Arabinose, 3.59g $L^{-1}$ Xylose, 0.51g $L^{-1}$ Furfural, 1.36g $L^{-1}$ Acetic acid, and 0.08g $L^{-1}$ 5-hydroxymethylfurfural.
Lee, Charles C.;Kibblewhite, Rena E.;Paavola, Chad D.;Orts, William J.;Wagschal, Kurt
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.27
no.1
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pp.77-83
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2017
Lignocellulosic biomass represents a potentially large resource to supply the world's fuel and chemical feedstocks. Enzymatic bioconversion of this substrate offers a reliable strategy for accessing this material under mild reaction conditions. Owing to the complex nature of lignocellulose, many different enzymatic activities are required to function in concert to perform efficient transformation. In nature, large multienzyme complexes are known to effectively hydrolyze lignocellulose into constituent monomeric sugars. We created artificial complexes of enzymes, called rosettazymes, in order to hydrolyze glucuronoxylan, a common lignocellulose component, into its cognate sugar ${\small{D}}$-xylose and then further convert the ${\small{D}}$-xylose into ${\small{D}}$-xylonic acid, a Department of Energy top-30 platform chemical. Four different types of enzymes (endoxylanase, ${\alpha}$-glucuronidase, ${\beta}$-xylosidase, and xylose dehydrogenase) were incorporated into the artificial complexes. We demonstrated that tethering our enzymes in a complex resulted in significantly more activity (up to 71%) than the same amount of enzymes free in solution. We also determined that varying the enzyme composition affected the level of complex-related activity enhancement as well as overall yield.
An intracellular invertase was purified to homogeneity from the cell extract of an alkalophilic and thermophilic Bacillus sp. TA-11, which was classified as a new species belonging to Bacillus cereus based on chemotaxanomic and phylogenetic analyses. The purified enzyme with a recovery of 26.6% was determined to be a monomeric protein with a molecular weight of 23 kDa by SDS-PAGE and 26 kDa by gel filtration. The maximum enzyme activity was observed at pH 7.0 and $50^{\circ}C$, and the purified enzyme was stable at the pH range of 5.0 to 8.0 and below $60^{\circ}C$. $K_m$ and $V_{max}$ values of the enzyme for sucrose were 370 mM and 3.0 ${\mu}M$ per min, respectively. The enzyme activity was significantly inhibited by bivalent metal ions ($Hg^{2+}$, $Cd^{2+}$ and $Cu^{2+}$) and sugars (glucose and fructose).
Yang, In;Jeong, Hanseob;Lee, Jae Jung;Lee, Soo Min
Journal of the Korean Wood Science and Technology
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v.47
no.1
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pp.110-123
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2019
This work was conducted to examine the relationship between lignin content and the durability of larch (LAR) pellets. LAR sawdust was immersed in tap water (TW), sulfuric acid (AC) and sodium hydroxide (AK) solutions, and then the immersed sawdust was used for pellet fabrication. Klason lignin (KL) content of the immersed LAR, contents of soluble lignin (SL) and monomeric sugars liberated from the immersion of LAR, and durability of LAR pellets were measured. KL content decreased as the concentration of AC and AK solutions increased, but glucose content increased with increase in AC and AK concentration. Durability of wood pellets fabricated using non-immersed LAR sawdust was the highest, followed by those made using TW-, AK- and AC-immersed sawdust. LAR pellets became more durable as the concentration of KL and SL increased, but a significant positive correlation was found only between pellet durability and KL content. Through the fluorescent microscopic observation and SEM-EDX analysis, it was verified that lignin content of non-immersed LAR pellets was higher than that of AC- and AK-immersed LAR pellets. These results suggest that lignin might contribute to an increase in inter-particle bonding in wood pellets.
Journal of the Society of Cosmetic Scientists of Korea
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v.44
no.1
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pp.81-87
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2018
The objective of this article is to provide analytical tools for the scattering of stratum corneum (SC) and to check whether the optical clearing agents (OCAs) could be applied in optics affecting the scattering reduction. Dark field images of tape striped corneocyte separates scattered light of the SC from others in vitro. Several optical clearing agents were tested to reduce the scattering. Physical properties of SC such as water contents, keratin configuration and volume after OCAs treatment were investigated by FT-IR and 3D laser microscope. Several reducing sugars, monomeric sugars, sugar alcohol, and hyaluronic acid, which were used as humectants in cosmetic field, also reduced scattering. However, unlike dehydration in optics, water penetrated into the keratin in SC and scattering was decreased at low concentration of OCAs. In that condition, the volume of corneocyte was increased and stiffness seemed to decrease. The analyzing of tape-stripped SC, showed the change of optical and physical properties of corneocyte by optical clearing agents. The hydration of SC layer by optical clearing agents decreased the scattering of corneocyte and thus improved the skin appearance and moisturizing effect, which are important benefits in the cosmetic field and could provide new possibility to develop skin care study targeting at SC.
Saccharomyces cerevisiae is one of the most employed cell factories for the production of bioproducts. Although monomeric hexose sugars constitute the preferential carbon source, this yeast can grow on a wide variety of nitrogen sources that are catabolized through central nitrogen metabolism (CNM). To evaluate the effects of internal perturbations on nitrogen utilization, we characterized strains deleted or overexpressed in GLT1, encoding for one of the key enzymes of the CNM node, the glutamate synthase. These strains, together with the parental strain as control, have been cultivated in minimal medium formulated with ammonium sulfate, glutamate, or glutamine as nitrogen source. Growth kinetics, together with the determination of protein content, viability, and reactive oxygen species (ROS) accumulation at the single cell level, revealed that GLT1 modulations do not significantly influence the cellular physiology, whereas the nitrogen source does. As important exceptions, GLT1 deletion negatively affected the scavenging activity of glutamate against ROS accumulation, when cells were treated with H2O2, whereas Glt1p overproduction led to lower viability in glutamine medium. Overall, this confirms the robustness of the CNM node against internal perturbations, but, at the same time, highlights its plasticity in respect to the environment. Considering that side-stream protein-rich waste materials are emerging as substrates to be used in an integrated biorefinery, these results underline the importance of preliminarily evaluating the best nitrogen source not only for media formulation, but also for the overall economics of the process.
The process for ethanol production requires lignocellulosic biomass to be hydrolyzed to generate monomeric sugars for the fermentation. During hydrolysis step, a monomeric sugars and a broad range of inhibitory compounds (furan derivatives, weak acids, phenolics) are formed and released. In this study, we investigated the effects of inhibitory compounds on the fermentative performance of Saccharomyces cerevisiae K35 and Pichia stipitis KCCM 12009 in ethanol production, two yeast strains were fermented in the synthetic medium including six inhibitory compounds such as 5-hydroxymethylfurfura (5-HMF), furfural, acetic acid, syringaldehyde, vanillic acid and syringic acid. Ethanol of over 40 g/L was produced by two yeast strains in the absence of inhibitory compounds, respectively. Most inhibitory compounds except acetic acid had a little effect on the ethanol production, but acetic acid showed high inhibition effect on the cell growth and ethanol production.
To evaluate the effects of chemical pretreatments of lignocellulosic biomass on enzymatic hydrolysis process, Populus euramericana was pretreated for 1 hr with 1% sulfuric acid ($H_2SO_4$) at $150^{\circ}C$ and 1% sodium hydroxide (NaOH) at $160^{\circ}C$, respectively. Before the enzymatic hydrolysis, each pretreated sample was subjected to drying process and thus finally divided into four subgroups; dried or non-dried acid pretreated samples and dried or non-dried alkali pretreated samples and chemical and physical properties of them were analyzed. Biomass degradation by acid pretreatment was determined to 6% higher compared to alkali pretreatment. By the action of acid ca. 24.5% of biomass was dissolved into solution, while alkali degraded ca. 18.6% of biomass. However, reverse results were observed in delignification rates, in which alkali pretreatment released 2% more lignin fragment from biomass to the solution than acid pretreatment. Unexpectedly, samples after both pretreatments were determined to somewhat higher crystallinity than untreated samples. This result may be explained by selective disrupture of amorphous region in cellulose during pretreatments, thus the cellulose crystallinity seems to be accumulated in the pretreated samples. SEM images revealed that pretreated samples showed relative rough and partly cracked surfaces due to the decomposition of components, but the image of acid pretreated samples which were dried was similar to that of the control. In pore size distribution, dried acid pretreated samples were similar to the control, while that in alkali pretreated samples was gradually increased as pore diameter increased. The pore volume which increased by acid pretreatment rapidly decreased by drying process. Alkali pretreatment was much more effective on enzymatic digestibility than acid pretreatment. The sample after alkali pretreatment was enzymatically hydrolyzed up to 45.8%, while only 26.9% of acid pretreated sample was digested at the same condition. The high digestibility of the sample was also influenced to the yields of monomeric sugars during enzymatic hydrolysis. In addition, drying process of pretreated samples affected detrimentally not only to digestibility but also to the yields of monomeric sugars.
In this study, chemical compositions - holocellulose, lignin and monomeric sugars - were characterized with two poplar wood cell walls, one of which was grown at normal condition (CPW) and the other was genetically modified by antisence suppression of CCoAOMT gene expression (ACPW). Milled wood lignins were isolated from CPW and ACPW and subjected to methoxyl group, DFRC, Py-GC/MS, GPC, $^{13}C$-NMR analysis, respectively. There were few differences in holocellulose contents in both cell walls, which were determined to 81.6% in CPW and to 82.3% in ACPW. However, lignin contents in ACPW was clearly decreased by the suppression of CCoAOMT gene expression. In CPW 21.7% of lignin contents was determined, while lignin contents in ACPW was lowered to 18.3%. The relative poor solubility of ACPW in alkali solution could be attributed to the reduction of lignin content. The glucose contents of CPW and ACPW were measured to 511.0 mg/g and 584.8 mg/g and xylose contents 217.8 mg/g and 187.5 mg/g, respectively, indicating that suppression of CCoAOMT gene expression could be also influenced to the formation of monomeric sugar compositions. In depth investigation for milled wood lignin (MWL) isolated from both samples revealed that the methoxyl contents at ACPW was decreased by 7% in comparison to that of CPW, which were indirectly evidenced by $^{13}C$-NMR spectra and Py-GC/MS. According to the data from Py-GC/MS S/G ratios of lignin in CPW and ACPW were determined to 0.59 and 0.44, respectively. As conclusive remark, the biosynthesis of syringyl unit could be further influenced by antisense suppression of CCoAOMT during phenylpropanoid pathway in the plant cell wall rather than that of guaiacyl unit.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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