Biomass lignin, a waste produced during the paper and bio-ethanol production process, is a cheap material that is available in large quantities. Thus, the interest in the valorization of biomass lignin has been increasing in industrial and academic areas. Over the years, lignin has been predominantly burnt as fuel to run pulping plants. However, less than 2% of the available lignin has been utilized for producing specialty chemicals, such as dispersants, adhesives, surfactants, and other value-added products. The development of value-added lignin-derived co-products should help make second generation biorefineries and the paper industry more profitable by valorizing lignin. Another possible approach towards value-added applications is using lignin as a component in plastics. However, blending lignin with polymers is not simple because the polarity of lignin molecules results in strong self-interactions. Therefore, achieving in-depth insights on lignin characteristics and structure will help in accelerating the development of lignin-based products. Considering the multipurpose characteristics of lignin for producing value-added products, this review will shed light on the potential applications of lignin and lignin-based derivatives on polymeric composite production. Moreover, the challenges in lignin valorization will be addressed.
Soukaina Arif;Hasna Nait M'Barek;Boris Bekaert;Mohamed Ben Aziz;Mohammed Diouri;Geert Haesaert;Hassan Hajjaj
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.34
no.5
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pp.1017-1028
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2024
Lignocellulolytic enzymes play a crucial role in efficiently converting lignocellulose into valuable platform molecules in various industries. However, they are limited by their production yields, costs, and stability. Consequently, their production by producers adapted to local environments and the choice of low-cost raw materials can address these limitations. Due to the large amounts of olive stones (OS) generated in Morocco which are still undervalued, Penicillium crustosum, Fusarium nygamai, Trichoderma capillare, and Aspergillus calidoustus, are cultivated under different fermentation techniques using this by-product as a local lignocellulosic substrate. Based on a multilevel factorial design, their potential to produce lignocellulolytic enzymes during 15 days of dark incubation was evaluated. The results revealed that P. crustosum expressed a maximum total cellulase activity of 10.9 IU/ml under sequential fermentation (SF) and 3.6 IU/ml of β-glucosidase activity under submerged fermentation (SmF). F. nygamai recorded the best laccase activity of 9 IU/ml under solid-state fermentation (SSF). Unlike T. capillare, SF was the inducive culture for the former activity with 7.6 IU/ml. A. calidoustus produced, respectively, 1,009 ㎍/ml of proteins and 11.5 IU/ml of endoglucanase activity as the best results achieved. Optimum cellulase production took place after the 5th day under SF, while ligninases occurred between the 9th and the 11th days under SSF. This study reports for the first time the lignocellulolytic activities of F. nygamai and A. calidoustus. Furthermore, it underlines the potential of the four fungi as biomass decomposers for environmentally-friendly applications, emphasizing the efficiency of OS as an inducing substrate for enzyme production.
To abate the environmental burdens arising from CO2 emissions, biochar offers a strategic means to sequester carbons due to its recalcitrant nature. Also, biochar has a great potential for the use as carbon-based adsorbent because it is a porous material. As such, developing the surface properties of biochar increases a chance to produce biochar with great adsorption performance. Given that biochar is a byproduct in biomass pyrolysis, characteristics of biochar are contingent on pyrolysis operating parameters. In this respect, this work focused on the investigation of surface properties of biochar by controlling temperature and reaction medium in pyrolysis of pine sawdust as case study. In particular, CO2 was used as reaction medium in pyrolysis process. According to pyrolytic temperature, the surface properties of biochar were indeed developed by CO2. The biochar engineered by CO2 showed the improved capability on CO2 sorption. In addition, CO2 has an effect on energy recovery by enhancing syngas production. Thus, this study offers the functionality of CO2 for converting biomass into engineered biochar as carbon-based adsorbent for CO2 sorption while recovering energy as syngas.
Kim, Kwang Ho;Kim, Jae-Young;Kim, Chang Soo;Choi, Joon Weon
Journal of the Korean Wood Science and Technology
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v.47
no.4
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pp.442-450
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2019
Despite its potential as a renewable source for fuels and chemicals, lignin valorization still faces technical challenges in many aspects. Overcoming such challenges associated with the chemical recalcitrance of lignin can provide many opportunities to innovate existing and emerging biorefineries. In this work, we leveraged a biomass genetic engineering technology to produce phenolic aldehyde-rich lignin structure via downregulation of cinnamyl alcohol dehydrogenase (CAD). The structurally altered lignin obtained from the Arabidopsis thaliana CAD mutant was pyrolyzed to understand the effect of structural alteration on thermal behavior of lignin. The pyrolysis was conducted at 400 and $500^{\circ}C$ using an analytical pyrolyzer connected with GC/MS and the products were systematically analyzed. The results indicate that aldehyde-rich lignin undergoes fragmentation reaction during pyrolysis forming a considerable amount of C6 units. Also, it was speculated that highly reactive phenolic aldehydes facilitate secondary repolymerization reaction as described by the lower yield of overall phenolic compounds compared to wild type (WT) lignin. Quantum mechanical calculation clearly shows the higher electrophilicity of transgenic lignin than that of WT, which could promote both fragmentation and recondensation reactions. This work provides mechanistic insights toward biomass genetic engineering and its application to the pyrolysis allowing to establish sustainable biorefinery in the future.
Jimenez-Quero, A.;Pollet, E.;Zhao, M.;Marchioni, E.;Averous, L.;Phalip, V.
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.26
no.9
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pp.1557-1565
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2016
Itaconic acid (IA) is a dicarboxylic acid included in the US Department of Energy's (DOE) 2004 list of the most promising chemical platforms derived from sugars. IA is produced industrially using liquid-state fermentation (LSF) by Aspergillus terreus with glucose as the carbon source. To utilize IA production in renewable resource-based biorefinery, the present study investigated the use of lignocellulosic biomass as a carbon source for LSF. We also investigated the production of fumaric acid (FA), which is also on the DOE's list. FA is a primary metabolite, whereas IA is a secondary metabolite and requires the enzyme cis-aconitate decarboxylase for its production. Two lignocellulosic biomasses (wheat bran and corn cobs) were tested for fungal fermentation. Liquid hydrolysates obtained after acid or enzymatic treatment were used in LSF. We show that each treatment resulted in different concentrations of sugars, metals, or inhibitors. Furthermore, different acid yields (IA and FA) were obtained depending on which of the four Aspergillus strains tested were employed. The maximum FA yield was obtained when A. terreus was used for LSF of corn cob hydrolysate (1.9% total glucose); whereas an IA yield of 0.14% was obtained by LSF of corn cob hydrolysates by A. oryzae.
Microalgae are primary producers of aquatic ecosystems, securing biodiversity and health of the ecosystem and contributing to reducing the impact of climate change through carbon dioxide fixation. Also, they are useful biomass that can be used as biological resources for producing valuable industrial products. However, harvesting process, which is the separation of microalgal biomass from mixed liquor, is an important bottleneck in use of valorization of microalgae as a bioresource accounting for 20 to 30% of the total production cost. This study investigates the applicability of sewage sludge-derived extracellular polymeric substance (EPS) as bioflucculant for harvesting microalgae. We compared the flocculation characteristics of microalgae using EPSs extracted from sewage sludge by three methods. The flocculation efficiency of microalgae is closely related to the carbohydrate and protein concentrations of EPS. Heat-extracted EPS contains the highest carbohydrate and protein concentrations and can be a best-suited bioflocculant for microalgae recovery with 87.2% flocculation efficiency. Injection of bioflocculant improved the flocculation efficiency of all three different algal strains, Chlorella Vulgaris, Chlamydomonas Asymmetrica, Scenedesmus sp., however the improvement was more significant when it was used for flocculation of Chlamydomonas Asymmetrica with flagella.
The potential polyhydroxyalkanoates (PHA)-producing bacteria, Bacillus megaterium PP-10, was successfully isolated and studied its feasibility for utilization of pineapple peel waste (PPW) as a cheap carbon substrate. The PPW was pretreated with 1% (v/v) H2SO4 under steam sterilization and about 26.4 g/l of total reducing sugar (TRS) in pineapple peel hydrolysate (PPH) was generated and main fermentable sugars were glucose and fructose. A maximum cell growth and PHA concentration of 3.63 ± 0.07 g/l and 1.98 ± 0.09 g/l (about 54.58 ± 2.39%DCW) were received in only 12 h when grown in PPH. Interestingly, PHA productivity and biomass yield (Yx/s) in PPH was about 4 times and 1.5 times higher than in glucose. To achieve the highest DCW and PHA production, the optimal culture conditions e.g. carbon to nitrogen ratios of 40 mole/mole, incubation temperature at 35℃ and shaking speed of 200 rpm were performed and a maximum DCW up to 4.24 ± 0.04 g/l and PHA concentration of 2.68 ± 0.02 g/l (61% DCW) were obtained. The produced PHA was further examined its monomer composition and found to contain only 3-hydroxybutyrate (3HB). This finding corresponded with the presence of class IV PHA synthase gene. Finally, certain thermal properties of the produced PHA i.e. the melting temperature (Tm) and the glass transition temperature (Tg) were about 176℃ and -4℃, respectively whereas the Mw was about 1.07 KDa ; therefore, the newly isolated B. megaterium PP-10 is a promising bacterial candidate for the efficient conversion of low-cost PPH to PHA.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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