Ethanol productivity of a xylose fermenting yeast (Candida sp. X-6-4l) isolated from soil was investigated in laboratory scale using Erlenmeyer flask and mini-jar tormentor. The optimal conditions of xylose fermentation in flask experiment were pH 4, asparagine as nitrogen source, xylose 20g/$\ell$, and in these condition, ethanol yield was about 80% to theoretical yield. Using mini-jar fermentor containing 5% total sugar with 2.5% xylose and 2.5% glucose, we obtained 2.3%(v/ v) ethanol and the corresponding efficiency was 72.3% of total sugar. In this case, the consumming speed of sugar under aerobic condition was faster than that of anaerobic condition, and glucose was used previously to xylose. The optimum concentration of xylose for ethanol fermentation in mini-jar fer-mentor scale was 5%, and the efficiency was 69% of total sugar(Alc.2.2% v/v).
This study was carried out to optimize the fermentation conditions for direct alcohol fermentation of xylose by Pichia stipitis CBS 5776. The best cell growth and the ethanol production were obtained under 0.05 VVM aeration and 300rpm agitation at $30^{\circ}C$ using 100 g/l xylose medium of the initial pH 5.0. In the above condition, the maximum specific growth rate and maximum cell concentration were 0.14hr-1 and $1.3 \times109$ cells/ml, respectively. Pichia stipitis CBS 5776 also produced 40.2g/l ethanol utilizing about 96% of 100g/l xylose after 72hr fermentation. At this point, the overall volumetric ethanol productivity was 0.56g/1-hr and the ethanol yield was 0.42 g-ethanol/g-xylose consumed, which corresponds to 82% of the theoretical yield.
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 $42.8\%$.
Journal of Korea Technical Association of The Pulp and Paper Industry
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v.44
no.3
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pp.9-14
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2012
Formed fermentation inhibitors during acid saccharification leads to poor alcohol production based on lignocellulosic bio-alcohol production process. In this work, it is focused on the formation of fermentation inhibitors from xylan, which is influenced by reaction tempearature and time of acidic sacharifiaction of xylose and glucuronic acid. In second step of concentrated acid hydrolysis, part of xylose and glucuronic acid was converted to furfuraldehyde and formic acid by dehydration and rearrangement reactions. Furfural was form from xylose, which was highly sensitive to reaction temperature. Formic acid was come from both xylose and glucuronic acid, which supposed to main inhibitor in biobutanol fermentation. Reaction temperature of second hydrolysis was main variables to control the furfural and formic acid generation. Careful control of acid saccharification can reduce generation of harmful inhibitors, especially second step of concentrated sulfuric acid hydrolysis process.
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.
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.
Fermentation characteristics of recombinant Saccharomyces cerevisiae containing the xylose reductase gene from Pichia stipitis were analyzed in an attempt to convert xylose to xylitol, a natural five-carbon sugar alcohol used as a sweetener. Xylitol was produced with a maximum yield of 0.95 (g xylitol/g xylose consumed) in the presence of glucose that is used as a cosubstrate for cofactor regeneration. However addition of glucose caused inhibition of xylose transport and accumulation of ethanol. Such problems were solved by adopting glucose-limlted fed-batch fermentation. This process done with S, cerevisiae EHl3.15:pY2XR at$30\;^{\circ}C$ resulted in 105.2g/L xylitol concentration with maximum productivity of 1.69 g $L^{-1}$$hr^{-1}$.
Batch fermentation runs were made with initial xylose concentrations of 2%, 4%, 8%, and 10%. The maximum yields were 0.46, 0.45, 0.43, and 0.42g ethanol/g xylose for 2%, 4%, 8%, and 10% xylose respectively. Xylitol formation was insignificant over a wide range of sepcific oxygen supply rates and xylose concentrations. The maximum specific productivities were 0.110, 0.110, 0.241, and 0.0961g ethanol/hr-g DCW for 2% through 10% xylose concentration.
Fermentation characteristics of D-xylose into xylitol by Candida mogii ATCC 18364, a potential xylitol producer from rice straw hemicellulose hydrolyzates, were investigated. The influences of the most important operational variables on xylitol production were examined. The best results in xylitol production were obtained in shake-flask fermentations when 3.0 g/L initial cell concentration of 12 hr-old cells grown in D-glucose containing medium were used as inoculum. The oxygen availability is a critical factor in xylose fermentation, therefore, xylose conversion into xylitol was investigated in a 2-L fermenter at different stirring rates. Maximum xylitol production was obtained with an aeration rate of 1 vvm at a stirring rate of 200 rpm.
Effects of xylose and glucose on the xylitol production were investigated with Candida parapsilosis KFCC 10875. With increasing the ratio of glucose to xylose, xylitol production decreased but ethanol and glycerol production increased. The maximum concentrations of ethanol and glycerol were 21.5 g/l and 3.6 g/l, respectively, in a medium consisting of 10 g/l xylose and 40 g/l glucose. No xylitol was formed in the glucose medium without xylose since xylitol could not be produced from glucose alone. The inhibitory effect of ethanol, a major by-product, on xylitol production was also studied. As the added ethanol concentration was increased, xylitol production decreased. When cells were inoculated in a xylose medium after removing the by-product (ethanol), xylitol production was not inhibited. The concentrated cells grown on xylose or glucose were inoculated in a fermentor containing the xylose medium. The total activities $(specific{\;}activities{\times}\;cell\;concentration)$ of xylose reductase and xylitol dehydrogenase in concentrated cells grown on glucose were the same as those in a normal fermentation; the specific activities of the above enzymes in the cells grown on xylose were the same as those in a normal fermentation. It indicates that the xylitol productivity of concentrated cells grown on xylose could be increased with increasing the cell concentration. By using concentrated cells of 20 g/l grown on xylose, the final xylitol concentration of 40 g/l was obtained for 18 h fermentation from 50 g/l xylose.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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