Isoprene has the potential to replace some petroleum-based chemicals and can be produced through biological systems using renewable carbon sources. Ralstonia eutropha can produce value-added compounds, including intracellular polyhydroxyalkanoate (PHA) through fatty acid and lipid metabolism. In the present study, we engineered strains of R. eutropha H16 and examined the strains for isoprene production. We optimized codons of all the genes involved in isoprene synthesis by the mevalonate pathway and manipulated the promoter regions using pLac and pJ5 elements. Our results showed that isoprene productivity was higher using the J5 promoter ($1.9{\pm}0.24{\mu}g/l$) than when using the lac promoter ($1.5{\pm}0.2{\mu}g/l$). Additionally, the use of three J5 promoters was more efficient ($3.8{\pm}0.18{\mu}g/l$) for isoprene production than a one-promoter system, and could be scaled up to a 5-L batch-cultivation from a T-flask culture. Although the isoprene yield obtained in our study was insufficient to meet industrial demands, our study, for the first time, shows that R. eutropha can be modified for efficient isoprene production and lays the foundation for further optimization of the fermentation process.
The tropospheric ozone production mechanism for the gas phase additive oxidation reaction of hydroxyl radical (OH) with isoprene (2-methyl-1,3-butadiene) has been studied using cavity ring-down spectroscopy (CRDS) at total pressure of 50 Torr and 298 K. The applicability of CRDS was confirmed by monitoring the shorter (~4%) ringdown time in the presence of hydroxyl radical than the ring-down time without the photolysis of hydrogen peroxide. The reaction rate constant, $(9.8{\pm}0.1){\times}10^{-11}molecule^{-1}cm^3s^{-1}$, for the addition of OH to isoprene is in good agreement with previous studies. In the presence of $O_2$ and NO, hydroxyl radical cycling has been monitored and the simulation using the recommended elementary reaction rate constants as the basis to OH cycling curve gives reasonable fit to the data.
Zhang, Xiaojie;Sinha, Tridib Kumar;Oh, Jeong Seok;Kim, Jin Kuk
Elastomers and Composites
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제55권3호
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pp.199-204
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2020
Considering the immense applicability of isoprene rubbers, such as natural rubber (NR) and synthetic polyisoprene rubber (IR), attempts are being made to introduce more functionality within the rubber structure, e.g. epoxidation, to widen their technological viability. Epoxidation introduces polar epoxy bonds into the rubber molecular chain, resulting in enhanced intermolecular interactions among the rubber chains, increasing the oil resistance and air impermeability. Although there have been many reports on the epoxidation of NR in its latex form, there has been no such report using its solid form (or gum), which limits the epoxidation in terms of portability. Furthermore, the gum form has longer lifetime, while the latex form has limited lifetime for its efficient use. In this study, the epoxidation of natural rubber and polyisoprene rubber (using meta-chloroperoxybenzoic acid (mCPBA) as the epoxidizing agent) by dissolving their gum in hexane (i.e., the solution method) have been studied and compared. The effects of the amount of mCPBA, reaction time, and reaction temperature were investigated. The present process is easy and facilitates the epoxidation of rubbers in their solid form; therefore, it can be used for industrial upscaling of epoxidized rubber production.
The emissions of ozone precursors, NOx and VOCs from a biogenic source and port-related sources (ship, shipping container truck, and cargo handling equipment) were estimated in Busan during 2013. Total biogenic isoprene emission in Busan during 2013 was estimated to be $4,434ton\;yr^{-1}$ with the highest emission (e.g., $28ton\;day^{-1}$) in summer using a BEIS method. Seasonal ozone production rates by isoprene ranged from 0.15 (winter) to 2.08 (summer) $ppb\;hr^{-1}$, contributing the predominant portion to ambient ozone levels. Total emissions of NOx and VOCs from ship traversing Busan ports were estimated to be 29,537 and $814ton\;yr^{-1}$, respectively, showing the significant contribution to total NOx emission in Busan. The emissions of ozone precursors were significantly different depending on ship tonnage and port location. Compared to the ship emission, the emissions of NOx and VOCs from the shipping container trucks in Busan were insignificant (2.9% for NOx and 3.9% for VOCs). Total NOx and VOCs emissions from the cargo handling equipment were estimated to be 1,440 and $133ton\;yr^{-1}$, respectively with the predominance of yard tractors.
경기도 태화산 서울대학술림에 위치한 대기관측타워에서 BVOCs 중 이소프렌, 모노테르펜을 2013년 5월, 6월, 8월에 PTR-MS를 이용하여 측정하고 이들의 분포 특성을 분석하였다. $O_3$과 온도, 습도 그리고 광합성유효복사와 잎면적지수를 측정하였다. 측정기간 동안 BVOCs 농도는 온도가 가장 높은 8월보다는 6월에 더 높았다. 태화산에서 측정된 침엽수와 활엽수의 광합성량(NPP, net primary production) 모두 6월에 가장 높았다. 이는 식생의 활동이 6월에 더 활발함을 의미하는데 이는 동북아시아 몬순의 영향으로 생각된다. 이소프렌은 늦은 오후에 최고 농도를, 모노테르펜은 저녁부터 농도가 높아져 밤 늦게 최고 농도를 보였다. 이들 모두 높이에 따라 평균 농도에 차이가 있었는데, 이소프렌과 모노테르펜 모두 캐노피 아래에서 높은 농도를 보였다. 반면, 온도는 캐노피 아래가 위보다 낮았고 $O_3$ 또한 캐노피 위에서 높아 산림 내와 산림 밖의 대기 간에 차이가 있었다. 특히, 이소프렌은 오후시간에 $O_3$과 같은 시간에 최고농도 보여 $O_3$ 생성에, 반대로 $O_3$은 농도가 급격히 감소하는 저녁시간에 캐노피 아래에서 농도가 크게 증가하는 모노테르펜은 $O_3$의 소멸에 영향을 미치는 것으로 나타났다. MEGAN을 이용하여 태화산에서 산정된 이소프렌과 모노테르펜의 배출계수는 각각 $641.9g\;km^{-2}h^{-1}$, $116.8g\;km^{-2}h^{-1}$로 CAPSS에서 산정된 잣나무 배출계수와 비교하면 이소프렌은 높고 반대로 모노테르펜은 낮았다. 이를 바탕으로 연간 배출량은 이소프렌은 1.1(톤/년), 모노테르펜은 0.9(톤/년)으로 산정되었다.
The mixtures of non-conjugated dienes, 4-methyl-1,4-hexadiene and 5-methyl-1,4-hexadiene (MHD), were successfully synthesized by the reaction of isoprene with ethylene using Fe(III)-based catalyst in toluene. The conversion was over 96 mol% on the basis of the initial amount of isoprene used. The production yield for MHD was nearly 50 mol%, the other was polyisoprene. The mixtures were successfully copolymerized with ethylene by using zirconium-based metallocenes. The products were characterized by the combinations of gas chromatography, high temperature gel permeation chromatography, $^1$H NMR, $^{13}$ C NMR, high temperature $^1$H NMR, UV/visible spectroscopy, and differential scanning calorimetry. It was found that 5-methyl-1,4-hexadiene was active enough to be incorporated into the copolymer chain but the corresponding isomeric material,4-methyl-1,4-hexadiene, was inactive in metallocene-catalyzed copolymerizations. Specifically, in the zirconocene-catalyzed copolymerizations of ethylene with MHD, ansa-structure catalysts seem to be more efficient than non-bridged type zirconocene. The degree of incorporation of MHD in the resulting copolymers was able to be controlled by the amount of non-conjugated dienes used initially.
Terrestrial vegetation has been known as a main source of biogenic volatile organic compounds (BVOCs). Isoprene and monoterpene among the BVOCs are most abundant species emitted by forests, and have a significant impact on atmospheric chemistry. Abundancy of these species could lead to an increase or decrease in the production of natural tropospheric ozone in forests, depending on the nitric oxide (NO) concentration. Soil is the most significant source of natural NO. Understanding of NO emission from forest soil could be critical in evaluation of air quality in the forest area. Flux-gradient similarity theory (FGST) was applied for practical use to estimate forest soil NO emission at Mt. Taewha where is available micro-meteorological data near surface monitoring from flux tower. NO fluxes calculated by FGST were compared to flux results by flow-through dynamic chamber (FDC) measurement. Surface NO emission trends were shown between two different techniques, however their magnitudes were found to be different. NO emissions measured from FDC technique were relatively higher than those from theoretical results. Daily mean NO emissions resulted from FGST during Aug. 13, 14 and 15 were $0.28{\pm}8.45$, $2.17{\pm}15.55$, and $-3.18{\pm}13.65{\mu}gm^{-2}hr^{-1}$, respectively, while results from FDC were $2.26{\pm}1.44$, $5.11{\pm}3.85$, and $2.23{\pm}6.45{\mu}gm^{-2}hr^{-1}$. Trends of daily means were shown in similar pattern, which NO emissions were increasing during late afternoon ($r^2$=0.04). These emission trends could be because soil temperature and moisture influence importantly soil microbiology.
Among biogenic volatile organic compounds (BVOCs) in the natural ecosystem, monoterpenes, along with isoprene, play important roles in atmospheric chemistry and make significant impacts on air pollution and climate change, especially due to their contribution to secondary organic aerosol production and photochemical ozone formation. It is essential to measure monoterpene concentrations accurately for understanding their oxidation processes, emission processes and estimation, and interactions between biosphere and atmosphere. Thus, traceable calibration standards are crucial for the accurate measurement of monoterpenes at ambient levels. However, there are limited information about developing calibrations standards for monoterpenes in pressured cylinders. This study describes about developing primary standard gas mixtures (PSMs) for monoterpenes at about 2 nmol/mol, near ambient levels. The micro-gravimetric method was applied to prepare monoterpene (${\alpha}$-pinene, 3-carene, R-(+)-limonene, 1,8-cineole) PSMs at $10{\mu}mol/mol$ and then the PSMs were further diluted to 2 nmol/mol level. To select an optimal cylinder for the development of monoterpene PSMs, three different kinds of cylinders were used for the preparation and were evaluated for uncertainty sources including long-term stability. Results showed that aluminum cylinders with a special internal surface treatment (Experis) had little adsorption loss on the cylinder internal surface and good long-term stability compared to two other cylinder types with no treatment and a special treatment (Aculife). Results from uncertainty estimation suggested that monoterpene PSMs can be prepared in pressured cylinders with a special treatment (Experis) at 2 nmol/mol level with an uncertainty of less than 4%.
본 연구에서는 새롭게 개발된 식생의 BVOCs 배출계수를 기반으로 MEGANv2.1을 구동 후 BVOCs 배출량을 산출하여 질소산화물과의 결합을 통해 대류권 오존농도에 어떠한 영향을 미치는지 분석하고 그에 대한 신뢰성을 검토하고자 한다. BVOCs 대상물질은 이소프렌(Isoprene)과 모노테르펜(Monoterpenes)으로 한정하였고, 모델링 도메인의 공간적 범위는 남한지역을 포함하는 한반도의 남부(위도 : 32.8N~39.3N, 경도 : 123.4E~130.9E)와, 시간은 2008년 5월 1일부터 6월 30일까지를 대상으로 하였다. 식생 BVOCs 배출 모델의 입력자료를 생성하기 위해 토지피복 자료는 MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer)의 MCD12Q1 (Land Cover type 5, PFT)와 환경부의 중분류 토지피복도를 사용하였고, 엽면적지수 자료는 MODIS의 MCD15A2를 사용하였다. 또한, 인위적 활동에 의한 배출량을 산출하기 위해 사용된 모델은 SMOKE-Asia 1.20 버전(Woo et al., 2009)이며, 오존농도를 모의하기 위해 CAMx v6.0 모델을 사용하였다. 연구의 진행은 1) 기존에 우리나라에서 측정된 식생 배출 값들을 조사하여 새로운 식생 배출계수를 BVOCs 배출모델에 적용하고, 2) GIS S/W을 이용하여 식생 배출모델(MEGAN)에 사용되는 입력자료를 생성하고, 3) MEGANv2.1을 구동하여 식생 배출량을 산출하고, 4) 인위적 배출을 산출하는 모델(SMOKE-Asia)을 구동하여 나온 인위적 배출량과 식생 배출량을 결합하여 대기화학 수송 모델(CAMx)의 입력자료로 사용하고, 5) 대기화학 수송 모델에서 구동된 오존농도의 결과 값을 실제 측정 값과 비교하여 식생 배출량 결과의 적정성에 대해 검토하였다. CAMx 모델을 통해 5개의 시나리오(인위적+식생 VOCs 배출 시나리오 4개 : A, B, C, D / 인위적 VOCs 배출 시나리오 1개 : E)에 대해 오존 생성농도를 비교한 결과, 본 연구에서 새롭게 적용한 식생 배출계수와 MODIS PFT를 사용한 시나리오 C에서 오존농도가 가장 높게 모의되었고, 인위적 VOCs 배출만을 고려한 시나리오 E보다 지역별로는 최대 53ppb, 도메인 평균으로는 2ppb 정도 높게 오존농도를 모의하고 있었다. 배출계수와 토지피복지도의 변화로 인한 오존농도의 차이 중에서는 배출계수의 변화로 인한 오존농도의 변화가 더 큰 것으로 확인되었다. 오존농도에 대해 모델링한 결과를 6개 도시지역의 오존 측정망 값과 비교한 결과, 자연적 VOCs 배출량이 상대적으로 작은 대도시와 주변 도시지역에서는 시나리오에 따른 모델과 측정 값과의 결정계수 값의 변화가 작게 나타났고, 자연적 VOCs 배출량이 높은 중소 도시지역에서는 시나리오에 따른 모델과 측정 값과의 결정계수 변화가 높게 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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