Abstract
Biochemical conversion of biomass into biofuels, biochemicals, and biopolymers has attracted much interest throughout the world in terms of biorefineries. Lignocellulosic biomass is one of the most plentifully available biomass resources on the earth. It is composed of three main biopolymers - cellulose, hemicelluloses, and lignin, all of which are cross-linked to each other to resist degradation by enzymes and microorganisms resulting in so-called biomass recalcitrance. The biorefinery process typically consists of three steps: pretreatment, hydrolysis, and fermentation. Energy and cost efficiency of biorefinery is predominantly dependent on how to produce inexpensive sugars from complex cell wall component of lignocellulosic biomass by overcoming biomass recalcitrance. There have been tremendous efforts to develop effective biomass pretreatment technologies for obtaining the highest yield of fermentable sugars from biomass feedstocks at the lowest cost. The present review discusses various pretreatment technologies to understand how to effectively break down biomass into fermentable sugars that are eventually used for microbial fermentation to produce biomass-based fuels, chemicals, and polymers.
Article PDF
Similar content being viewed by others
Avoid common mistakes on your manuscript.
References
R. P. John, G. S. Anisha, K. M. Nampoothiri and A. Pandey, Bioresour. Technol., 102, 183 (2011).
R. C. Saxena, D. K. Adhikari and H. B. Goyal, Renew. Sust. Energy Rev., 13, 167 (2009).
C. Okkerse and H. v. Bekkum, Green Chem., 1, 107 (1999).
P. A. M. Claassen, J. B. van Lier, A. M. Lopez Contreras, E. W. J. van Niel, L. Sijtsma, A. J. M. Stams, S. S. de Vries and R. A. Weusthuis, Appl. Microbiol. Biotechnol., 52, 741 (1999).
V. B. Agbor, N. Cicek, R. Sparling, A. Berlin and D. B. Levin, Biotechnol. Adv., 29, 675 (2011).
Y. H. Oh, S. H. Lee, Y. A. Jang, J. W. Choi, K. S. Hong, J. H. Yu, J. Shin, B. K. Song, S. G. Mastan, Y. David, M. G. Baylon, S. Y. Lee and S. J. Park, Bioresour. Technol., 181, 283 (2015).
N. Mosier, C. Wyman, B. Dale, R. Elander, Y. Y. Lee, M. Holtzapple and M. Ladisch, Bioresour. Technol., 96, 673 (2005).
S. J. Park, Y. A. Jang, W. Noh, Y. H. Oh, H. Lee, Y. David, M. G. Baylon, J. Shin, J. E. Yang, S. Y. Choi, S. H. Lee and S. Y. Lee, Biotechnol. Bioeng., 112, 638 (2015).
D. Szczerbowski, A. Pitarelo, A. Zandoná Filho and L. P. Ramos, Carbohydr. Polym., 19, 95 (2014).
D. G. Vucurovic, S. N. Dodic, S. D. Popov, J. M. Dodic and J. A. Grahovac, Bioresour. Technol., 104, 367 (2013).
K. A. Gray, L. Zhao and M. Emptage, Curr. Opin. Chem. Biol., 10, 141 (2006).
G. S. Kim, M. K. Shin, Y. J. Kim, K. K. Oh, J. S. Kim, H. J. Ryu and H. K. Kim, US Patent, 0,124,774A1 (2010).
L. D. Gomez, C. G. Steele-King and S. J. McQueen-Mason, New Phytol., 178, 473 (2008).
A. T. W. M. Hendriks and G. Zeeman, Bioresour. Technol., 100, 10 (2009).
F. M. Gírio, C. Fonseca, F. Carvalheiro, L. C. Duarte, S. Marques and R. Bogel-Lukasik, Bioresour. Technol., 101, 4775 (2010).
V. S. Chang and M. T. Holtzapple, Appl. Biochem. Biotechnol., 84-86, 5 (2000).
M. Aresta, A. Dibenedetto and G. Barberio, Fuel Process Technol., 86, 1679 (2005).
K. Gao and K. R. McKinley, J. Appl. Phycol., 6, 45 (1994).
A. B. Ross, J. M. Jones, M. L. Kubacki and T. Bridgeman, Bioresour. Technol., 99, 6494 (2008).
D. H. Kang, H. Y. Lee, J. G. Ham, H. S. Park, H. S. Lee and R. S. Kang, US Patent, 7,763,724B2 (2010).
L. B. Malihan, G. M. Nisola and W. J. Chung, Bioresour. Technol., 118, 545 (2012).
M. H. Shin, D. Y. Lee, G. Wohlgemuth, I. G. Choi, O. Fiehn and K. H. Kim, New Biotechnol., 27, 156 (2010).
J. H. Song, J. S. Ventura and C. H. Lee, Biotechnol. Bioproc. Eng., 16, 42 (2011).
Y. S. Yoon, G. H. Goh, J. H. Song, S. H. Oh, I. H. Cho, S. Y. Kang, C. H. Park and S. H. Lee, WIPO Patent, 098,585A2 (2010).
A. D. Hughes, M. S. Kelly, K. D. Black and M. S. Stanley, Biotechnol. Biofuels, 86 (2012).
J. J. Milledge and S. Heaven, Rev. Environ. Sci. Biotechnol., 12 (2013).
R. T. Elander, C. E. Wyman, B. E. Dale, M. Holtzapple, M. R. Ladisch, Y. Y. Lee and T. Eggeman, Initial comparative process economics of leading biomass pretreatment technologies, The International Symposia on Alcohol Fuels and Other Renewables XV, California (2005).
Y. Sun and J. Cheng, Bioresour. Technol., 83, 1 (2002).
L. Kratky and T. Jirout, Chem. Eng. Technol., 34, 391 (2011).
S. H. Mood, A. H. Golfeshan, M. Tabatabaei, G. S. Jouzani, G. H. Najafi, M. Gholami and M. Ardjmand, Renew. Sust. Energy Rev., 27, 77 (2013).
Y. Sun and J. Cheng, Bioresour. Technol., 83, 1 (2002).
M. J. Taherzadeh and K. Karimi, Int. J. Mol. Sci., 9, 1621 (2008).
J. Yoo, S. Alavi, P. Vadlani and V. Amanor-Boadu, Bioresour. Technol., 102, 7583 (2011).
Y. Zheng, J. Zhao, F. Xu and Y. Li, Prog. Energ. Combust., 42, 35 (2014).
C. Eskicioglu, N. Terzian, K. J. Kennedy, R. L. Droste and M. Hamoda, Water Res., 41, 2457 (2007).
N. Narayanaswamy, P. Dheeran, S. Verma and S. Kumar, Biological pretreatment of lignocellulosic biomass for enzymatic saccharification, Springer-Verlag, Berlin (2013).
J. Chen, S. L. Fales, G. A. Varga and D. J. Royse, J. Sci. Food Agr., 68, 91 (1995).
M. Tuomela, M. Vikman, A. Hatakka and M. Itävaara, Bioresour. Technol., 72, 169 (2000).
T. D. H. Bugg, M. Ahmad, E. M. Hardiman and R. Rahmanpour, Nat. Prod. Rep., 28, 1883 (2011).
T. D. H. Bugg and R. Rahmanpour, Curr. Opin. Chem. Biol., 29, 10 (2015).
M. Fitzpatrick, P. Champagne, M. F. Cunnigham and R. A. Whitney, Bioresour. Technol., 101, 8915 (2010).
J. Li, S. Li, B. Han, M. Yu, G. Li and Y. Jiang, Biotechnol. Biofuels, 6, 174 (2013).
X. Pan, D. Xie, N. Gilkes, D. J. Gregg and J. N. Saddler, Appl. Biochem. Biotechnol., 121-124, 1069 (2005).
J. Xu and J. J. Cheng, Bioresour. Technol., 102, 3861 (2011).
P. Alvira, E. Tomás-Pejó, M. Ballesteros and M. J. Negro, Bioresour. Technol., 101, 4851 (2010).
J. F. Saeman, Ind. Eng. Chem., 37, 43 (1945).
Y. Pu, F. Hu, F. Huang, B. H. Davison and A. J. Ragauskas, Biotechnol. Biofuels, 6, 15 (2013).
T. A. Lloyd and C. E. Wyman, Bioresour. Technol., 96, 1967 (2005).
C. I. Ishizawa, M. F. Davis, D. F. Schell and D. K. Johnson, J. Agric. Food Chem., 55, 2575 (2007).
Y. Sun and J. J. Cheng, Bioresour. Technol., 96, 1599 (2005).
R. Kumar and C. E. Wyman, Biotechnol. Bioeng., 102, 457 (2009).
Q. Qing, B. Yang and C. E. Wyman, Bioresour. Technol., 101, 9624 (2010).
M. Zeng, N. S. Mosier, C. P. Huang, D. M. Sherman and M. R. Ladisch, Biotechnol. Bioeng., 97, 265 (2007).
M. Foston and A. J. Ragauskas, Energy Fuels, 24, 5677 (2010).
T. C. Hsu, G. L. Guo, W. H. Chen and W. S. Hwang, Bioresour. Technol., 101, 4907 (2010).
C. Liu and C. E. Wyman, Ind. Eng. Chem. Res., 42, 5409 (2003).
C. Liu and C. E. Wyman, Appl. Biochem. Biotechnol., 113-116, 977 (2004).
B. S. Donohoe, S. R. Decker, M. P. Tucker, M. E. Himmel and T. B. Vinzant, Biotechnol. Bioeng., 101, 913 (2008).
J. Y. Zhu, X. J. Pan, G. S. Wang and R. Gleisner, Bioresour. Technol., 100, 2411.
H. Lou, J. Y. Zhu, T. Q. Lan, H. Lai and X. Qiu, ChemSusChem, 6, 919 (2013).
X. Zhao, K. Cheng and D. Liu, Appl. Microbiol. Biotechnol., 82, 815 (2009).
S. J. B. Duff and W. D. Murray, Bioresour. Technol., 55, 1 (1996).
B. W. Koo, H. Y. Kim, N. Park, S. M. Lee, H. Yeo and I. G. Choi, Biomass Bioenergy, 35, 1833 (2011).
S. Sahoo, M. Ö. Seydibeyoglu, A. K. Mohanty and M. Misr, Biomass Bioenergy, 35, 4230 (2011).
A. Brandt, M. J. Ray, T. Q. To, D. J. Leak, R. J. Murphybc and T. Welton, Green Chem., 9, 2489 (2011).
N. Sun, M. Rahman, Y. Qin, M. L. Maxim, H. Rodríguez and R. D. Rogers, Green Chem., 11, 646 (2009).
S. Zhu, Y. Wu, Q. Chen, Z. Yu, C. Wang, S. Jin, Y. Dinga and G. Wuc, Green Chem., 8, 325 (2006).
S. H. Lee, T. V. Doherty, R. J. Linhardt and J. S. Dordick, Biotechnol. Bioeng., 102, 1368 (2009).
K. E. Gutowski, G. A. Broker, H. D. Willauer, J. G. Huddleston, R. P. Swatloski, J. D. Holbrey and R. D. Rogers, J. Am. Chem. Soc., 125, 6632 (2003).
T. A. Nguyen, K. R. Kim, S. J. Han, H. Y. Cho, J. W. Kim, S. M. Park, J. C. Park and S. J. Sim, Bioresour. Technol., 101, 7432 (2010).
l. K. Shil, S. Padmanabhan, Q. Xin, J. M. Prausnitz, D. S. Clark and H. W. Blanch, Biotechnol. Bioeng., 108, 511 (2011).
G. Brodeur, E. Yau, K. Badal, J. Collier, K. B. Ramachandran and S. Ramakrishnan, Enzyme Res., 2011, 1 (2011).
R. P. Swatloski, S. K. Spear, J. D. Holbrey and R. D. Rogers, J. Am. Chem. Soc., 124, 4974 (2002).
M. B. Turner, S. K. Spear, J. G. Huddleston, J. D. Holbrey and R. D. Rogers, Green Chem., 5, 443 (2003).
B. Toussaint, G. Excoffier and M. R. Vignon, Anim. Feed Sci. Technol., 32, 235 (1991).
X. Pan, D. Xie, N. Gilkes, D. J. Gregg and J. N. Saddler, Appl. Biochem. Biotechnol., 121-124, 1069 (2005).
P. Alvira, E. Tomás-Pejó, M. Ballesteros and M. J. Negro, Bioresour. Technol., 101, 4851 (2009).
M. H. Thomsen, A. Thygesen and A. B. Thomsen, Appl. Microbiol. Biotechnol., 83, 447 (2009).
M. J. Díaz, C. Cara, E. Ruiz, M. Pérez-Bonilla and E. Castro, Fuel, 90, 3225 (2011).
Z. Hu and A. J. Ragauskas, Ind. Eng. Chem. Res., 50, 4225 (2011).
C. D. Jung, J. H. Yu, I. Y. Eom and K. S. Hong, Bioresour. Technol., 138, 1 (2013).
P. Kaparaju and C. Felby, Bioresour. Technol., 101, 3175 (2010).
J. Larsen, M. Ø. Haven and L. Thirup, Biomass Bioenergy, 46, 36 (2012).
B. D. Bals, C. Gunawan, J. Moore, F. Teymouri and B. E. Dale, Biotechnol. Bioeng., 111, 264 (2014).
C. E. Wyman, B. E. Dale, R. T. Elander, M. Holtzapple, M. R. Ladisch and Y. Y. Lee, Bioresour. Technol., 96, 2026 (2005).
C. E. Wyman, B. E. Dale, R. T. Elander, M. Holtzapple, M. R. Ladisch and Y. Y. Lee, Bioresour. Technol., 96, 1959 (2005).
F. Teymouri, L. Laureano-Perez, H. Alizadeh and B. E. Dale, Bioresour. Technol., 96, 2014 (2005).
B. W. Jones, R. Venditti, S. K. Park, H. Jameel and B. W. Koo, Bioresour. Technol., 147, 353 (2013).
S. Mohini, F. David and L. Eric, Bioresour. Technol., 81, 193 (2002).
M. Ertas, Q. Han, H. Jameel and H. M. Chang, Bioresour. Technol., 152, 259 (2014).
C. R. Soccol, L. P. Vandenberghe, A. B. Medeiros, S. G. Karp, M. Buckeridge, L. P. Ramos, A. P. Pitarelo, V. Ferreira-Leitäo, L. M. Gottschalk, M. A. Ferrara, E. P. da Silva Bon, L. M. de Moraes, A. Araújo Jde and F. A. Torres, Bioresour. Technol., 101, 4820 (2010).
J. B. Binder and R. T. Raines, P. Natl. Acad. Sci. USA, 107, 4516 (2010).
S. Y. Lee, J. H. Park, S. H. Jang, L. K. Nielsen, J. Kim and K. S. Jung, Biotechnol. Bioeng., 101, 209 (2008).
Y. H. Oh, G. T. Eom, K. H. Kang, J. W. Choi, B. K. Song, S. H. Lee and S. J. Park, Appl. Biochem. Biotechnol., (2015), DOI:10. 1007/s12010-015-1740-x.
T. C. Ezeji, N. Qureshi and H. P. Blaschek, J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 34, 771 (2007).
T. Ezeji, N. Qureshi and H. P. Blaschek, Biotechnol. Bioeng., 97, 1460 (2007).
N. Qureshi, T. C. Ezeji, J. Ebener, B. S. Dien, M. A. Cotta and H. P. Blaschek, Bioresour. Technol., 99, 5915 (2008).
D. H. Cho, Y. J. Lee, Y. Um, B. I. Sang and Y. H. Kim, Appl. Microbiol. Biotechnol., 83, 1035 (2009).
L. Li, L. Zhang, K. Li, Y. Wang, C. Gao, B. Han, C. Ma and P. Xu, Biotechnol. Biofuels, 6, 1 (2013).
X. J. Ji, H. Huang and P. K. Ouyang, Biotechnol. Adv., 29, 351 (2011).
L. H. Sun, X. D. Wang, J. Y. Dai and Z. I. Xiu, Appl. Microbiol. Biotechnol., 82, 847 (2009).
A. L. Wang, Y. Wang, T. Y. Jiang, L. X. Li, X. Q. Ma and P. Xu, Appl. Microbiol. Biotechnol., 87, 935 (2010).
M. Y. Jung, B. S. Park, J. Lee and M. K. Oh, Bioresour. Technol., 139, 21 (2013).
S. J. Horn, I. M. Aasen and K. Østgaard, J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 25, 249 (2000).
S. J. Horn, I. M. Aasen and K. Østgaard, J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 24, 51 (2000).
O. K. Lee, A. L. Kim, D. H. Seong, C. G. Lee, Y. T. Jung, J. W. Lee and E. Y. Lee, Bioresour. Technol., 132, 197 (2013).
M. H. Huesemann, L. J. Kuo, L. Urquhart, G. A. Gill and G. Roesijadi, Bioresour. Technol., 108, 305 (2012).
N. J. Kim, H. Li, K. Jung, H. N. Chang and P. C. Lee, Bioresour. Technol., 102, 7466 (2011).
S. Mazumdar, J. Lee and M. K. Oh, Bioresour. Technol., 136, 329 (2013).
D. R. Dodds and R. A. Gross, Science, 318, 1250 (2007).
N. K. Budhavaram and Z. Fan, Bioresour. Technol., 100, 5966 (2009).
I. Y. Eom, Y. H. Oh, S. J. Park, S. H. Lee and J. H. Yu, Bioresour. Technol., 185, 143 (2015).
S. Givry, V. Prevot and F. Duchiron, World J. Microbiol. Biotechnol., 24, 745 (2008).
P. Laopaiboon, A. Thani, V. Leelavatcharamas and L. Laopaiboon, Bioresour. Technol., 101, 1036 (2010).
A. B. Moldes, A. Torrado, A. Converti and J. M. Dominguez, Appl. Biochem. Biotechnol., 135, 219 (2006).
T. Tanaka, M. Hoshina, S. Tanabe, K. Sakai, S. Ohtsubo and M. Taniguchi, Bioresour. Technol., 97, 211 (2006).
L. Wang, B. Zhao, B. Liu, B. C. Yang, B. Yu, Q. Li, C. Ma, P. Xu and Y. Ma, Bioresour. Technol., 101, 7895 (2010).
J. W. Choi, S. S. Yim, S. H. Lee, T. J. Kang, S. J. Park and K. J. Jeong, Microb. Cell Fact., 15, 14 (2015).
S. Kind, S. Neubauer, J. Becker, M. Yamamoto, M. Völkert, G. Abendroth, O. Zelder and C. Wittmann, Metab. Eng., 25, 113 (2014).
W. Niu, K. M. Draths and J. W. Frost, Biotechnol. Prog., 18, 201 (2002).
Y. H. Oh, J. W. Choi, E. Y. Kim, B. K. Song, K. J. Jeong, K. Park, I. K. Kim, H. M. Woo, S. H. Lee and S. J. Park, Appl. Biochem. Biotechnol., 176, 2065 (2015).
S. J. Park, E. Y. Kim, W. Noh, H. M. Park, Y. H. Oh, S. H. Lee, B. K. Song, J. Jegal and S. Y. Lee, Metab. Eng., 16, 42 (2013).
S. S. Yim, S. J. An, M. Kang, J. Lee and K. J. Jeong, Biotechnol. Bioeng., 110, 2959 (2013).
J. Becker, O. Zelder, S. Häfner, H. Schröder and C. Wittmann, Metab. Eng., 13, 159 (2011).
S. J. Park, Y. H. Oh, W. Noh, H. Y. Kim, J. H. Shin, E. G. Lee, S. Lee, Y. David, M. G. Baylon, B. K. Song, J. Jegal, S. Y. Lee and S. H. Lee, Biotechnol. J., 9, 1322 (2014).
A. Boisen, T. B. Christensen, W. Fu, Y. Y. Gorbanevc, T. S. Hansenc, J. S. Jensenb, S. K. Klitgaard, S. Pedersena, A. Riisagerc, T. Ståhlbergc and J. M. Woodley, Chem. Eng. Res. Des., 87, 1318 (2009).
N. Mittal, G. M. Nisola and W. J. Chung, Tetrahedron Lett., 53, 3149 (2012).
J. B. Binder and R. T. Raines, J. Am. Chem. Soc., 131, 1979 (2009).
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Additional information
Young Hoon Oh and In Yong Eom contributed equally to this study.
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Oh, Y.H., Eom, I.Y., Joo, J.C. et al. Recent advances in development of biomass pretreatment technologies used in biorefinery for the production of bio-based fuels, chemicals and polymers. Korean J. Chem. Eng. 32, 1945–1959 (2015). https://doi.org/10.1007/s11814-015-0191-y
Received:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s11814-015-0191-y