In this work, 80% lime-treated rice straw and 20% lime-treated chicken manure were used as substrates in rotary fermentors. Countercurrent fermentation was performed at various volatile solid loading rates (VSLR) and liquid residence times (LRT). The highest acid productivity of 1.69 g/(L·d) was at a total acid concentration of 32.4 g/L. The highest conversion and yield were 0.692 g VS digested/g VS fed and 0.29 g total acids/g VS fed, respectively. The continuum particle distribution model (CPDM) was used to predict product concentrations at various VSLR and LRT. CPDM predicted the experimental total acid concentration and conversion at an average error of 6.41% and 6.55%, respectively. A fixed-bed fermentation system was designed to perform pretreatment and fermentation in the same unit. High product concentrations (~48 g/L) as well as high conversions (0.741 g VS digested/g VS fed, F4, Train B) were obtained from the same fermentor. CPDM was extended to predict product concentrations in the fixed-bed fermentation system. The model gave a good estimate of the product concentrations and retention time. After biomass fermentation, the residue can be combusted to generate heat. For pretreatment purposes, the use of ash can replace lime. A study was performed using ash as a potential pretreatment agent. Ash from raw poplar wood was effective in pretreating poplar wood; however, ash from bagasse fermentation residues was not useful in pretreating bagasse. Previous modeling studies indicate that a conversion of 95% could be achieved with bagasse using countercurrent fermentation. Because lignin constitutes 13% of the dry weight of bagasse, this means lignin would have to be digested to obtain a conversion of 95%. Experiments on the fermentation of enzymatically liberated lignin from both poplar wood and bagasse do not show that solubilized lignin was fermented to organic acids by using a mixed culture of marine microorganisms. Two buffer systems (ammonium bicarbonate and calcium carbonate) were used to compare product concentrations of carboxylic acid fermentations using office paper and chicken manure. It has been demonstrated that the total product concentration using ammonium bicarbonate is almost double the product concentration using calcium carbonate.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第17899号 / 農博第2022号 / 新制||農||1017(附属図書館) / 学位論文||H25||N4795(農学部図書室) / 30719 / 京都大学大学院農学研究科食品生物科学専攻 / (主査)教授 安達 修二, 教授 入江 一浩, 教授 谷 史人 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

O presente trabalho teve como principal objetivo avaliar o potencial de linhagens termotolerantes da espécie Kluyveromyces marxianus para produção de xilitol a partir do hidrolisado hemicelulósico de palha de arroz. Foi também objetivo deste trabalho estabelecer condições de tratamento alcalino diluído (desacetilação) previamente ao processo de hidrólise ácida da palha de arroz com vistas à obtenção de um hidrolisado com menor toxicidade. Numa primeira etapa do trabalho, foram avaliadas 4 cepas de K.marxianus (Y-6860, Y-6373, Y- 265 e Y-8287) quanto a produção de xilitol em meio semidefinido variando a temperatura de 30 a 40 °C. Com base nos resultados obtidos, foi selecionada a linhagem Y-6373, que apresentou os maiores valores de conversão de xilose em xilitol (YP/S = 0,70 g/g) e produtividade volumétrica (QP = 0,60 g/L.h) na temperatura de 40 °C. Esta linhagem foi então utilizada nos ensaios fermentativos a partir dos hidrolisados obtidos. Para obtenção do hidrolisado hemicelulósico, a palha de arroz foi primeiramente submetida a um tratamento alcalino, em escala de frascos Erlenmeyer, onde se avaliou o efeito da temperatura (50 - 70 °C) e da carga de NaOH (20 - 80 mg/g de biomassa) sobre a remoção de grupos acetil. De acordo com o modelo obtido, a máxima remoção de acetil (97,2 ± 3,4%) pôde ser alcançada empregando 70 °C; 80 mg de NaOH /g de palha por 45 min. Nestas condições do processo, o modelo previu remoções de lignina e de cinzas de 41,3 ± 4,3 e 62,3 ± 5,3%, respectivamente, sem perda significativa das frações açucaradas. Em maior escala (reator de 50L), o tratamento alcalino mostrou resultados de remoção de acetil próximos aos previstos pelo modelo. Com a palha desacetilada, foram então realizados ensaios de hidrólise ácida variando a concentração de H2SO4 (0,5 - 1,5% m/v) e tempo de residência (30 - 90 min) visando estabelecer as condições que maximizem a eficiência de hidrólise da hemicelulose (EHH). Nas condições otimizadas, (H2SO4 1,0% m/v e 85 minutos) foi alcançada uma EHH de 75% em frascos e de 76% em reator. Os resultados referentes à fermentabilidade do hidrolisado empregando a K. marxinuas Y-6373 demonstraram que independentemente da suplementação nutricional, a conversão de xilose em xilitol foi elevada ~ 0,87 g/g e superior a obtida em meio semidefinido contendo apenas xilose como fonte de carbono, porém os valores de produtividade volumétrica foram cerca de 6,5 vezes inferiores ~ 0,13 g/L.h, devido a baixa eficiência de utilização da xilose (XC) ~ 20%, após 72 h de cultivo. A fermentabilidade dos hidrolisados foi melhorada após o procedimento de destoxificação e os resultados variaram com o método empregado. Os melhores resultados foram obtidos em hidrolisado tratado com CaO (YP/S= 0,74 g/g; QP = 0,32 g/L.h e XC =92%). Neste trabalho, foi também demonstrado o efeito repressivo da glicose sobre a assimilação e conversão da xilose em xilitol por K. marxianus, uma vez que em meio semidefinido simulando as concentrações de xilose e glicose presentes no hidrolisado, os valores de XC e YP/S foram reduzidos em torno de 40%. De uma forma geral, conclui-se que a linhagem de K. marxianus selecionada neste estudo, apresenta grande potencial para a produção de xilitol em elevadas temperaturas, porém são ainda necessários estudos para otimizar as condições de produção de xilitol a partir de hidrolisados hemicelulósicos. / In this work the potential of thermotolerant strains of Kluyveromyces marxianus to produce xylitol from rice straw hemicellulosic hydrolyzed was evaluated. In addition, were also established conditions of diluted alkaline treatment (deacetylation) previously to the process of rice straw acid hydrolysis, aiming to decrease the toxicity of the hydrolysate . Initially, four yeast strains of K.marxianus (Y-6860, Y-6373, Y-2265 e Y-8287) were evaluated regarding to the xylitol production in a semi-defined medium, varying the temperature from 30 to 40 ºC. From these results, the strain Y-6373 was selected, due to high values of xylose conversion into xylitol (YP/S = 0.70 g/g) and volumetric productivity (QP = 0.60 g/L.h) at 40ºC. This strain was thus used in the fermentative tests employing the hemicellulosic hydrolysate obtained. The hemicellulosic hydrolysate of rice straw was prepared in two steps; firstly the rice straw was submitted to the alkaline treatment, which was carried out in Erlenmeyer flasks scale. In these experiments, the effects of temperature from 50 to 70 °C and NaOH load from 20 to 80 mg/g biomass on the removal of acetyl groups were evaluated. According to the model obtained, the maximum acetyl removal (97.2 ±3.4%) could be achieved by employing 70 ºC; 80 mg of NaOH/g of straw during 45 minutes. Under these conditions, the model predicted lignin and ashes removals of 41.3±4.3 and 62.3±5.3%, respectively, without significant loss of sugars. On a large scale (reactor of 50L), the alkaline treatment showed outcomes of acetyl removal near the ones predicted by the model. After, the deacetylating straw was submitted to acid hydrolysis process, varying the H2SO4 concentration from 0.5 to 1.5% w/v, and the residence time from 30 to 90 minutes, aiming to stablish the conditions that maximize the efficiency of hemicellulose hydrolysis (EHH). Under optimized conditions, (H2SO4 1.0% w/v and 85 minutes) 75% EHH was achieved in Erlenmeyers flasks and 76% in reactor. As regarding the hydrolysate fermentability employing K. marxinuas Y-6373, the results showed that, regardless of the nutritional supplementation, the conversion of xylose into xylitol was high ~ 0.87 g/g and superior in relation to the one obtained at a semidefined medium containing only xylose as a carbon source. Nevertheless, the values ofvolumetric productivity were approximately 6.5 times inferior ~ 0.13 g/L.h, due to the lowefficiency of xylose consumption (XC) ~ 20%, after 72h of cultivation. The hydrolysate fermentability was improved after detoxification and the results varied with the method employed. The best results were obtained on hydrolysate treated with CaO (YP/S= 0.74 g/g; QP = 0.32 g/L.h and XC = 92%). The glucose effect was further examined in semi-defined medium. The results showed that xylose assimilation and xylitol production by K. marxianus was repressed by glucose, since in a semi-defined media simulating the concentrations of xylose/glucose found in the hydrolyzed, the values of XC e YP/S were reduced in approximately 40%. Based on the results, was concluded that the strain of K. marxianus selected on this study, presents a great potential to produce xylitol at elevated temperatures. However, studies are still necessary to optimize the conditions of this bioconversion from the hemicellulosic hydrolysate.

O presente trabalho teve como principal objetivo selecionar uma linhagem termotolerante de Kluyveromyces marxianus e avaliar a sua aplicação em processos de produção de etanol a partir da celulignina de palha de arroz. Inicialmente, foram avaliadas oito diferentes linhagens de K. marxianus em meio semissintético contendo 50 g/L de glicose sob temperatura de 45 °C. De acordo com os principais parâmetros fermentativos obtidos, a linhagem K. marxianus NRRL Y-6860 foi selecionada e o efeito da oxigenação do meio sobre os parâmetros fermentativos desta levedura foi realizado de acordo com um planejamento experimental 22. Os resultados revelaram que a produção de etanol foi favorecida nas menores condições de agitação e aeração estudadas (100 rpm e relação Vfrasco/Vmeio de 2,5) sendo obtido um valor de conversão de glicose em etanol (YP/S) de 0,44 g/g e produtividade volumétrica em etanol (QP) de 3,63 g/L.h. Nestas condições, K. marxianus NRRL Y-6860 foi também capaz de fermentar elevada concentração de glicose (112 g/L), apresentando valores de YP/S = 0,42 g/g e QP = 3,24 g/L.h. Numa segunda etapa, ensaios de sacarificação da celulignina (8% m/v) permitiram definir a carga de Cellubrix (25 FPU/g) e Novozyme 188 (25 UI/g) as quais promoveram um rendimento de hidrólise de aproximadamente 50 % em 12 horas. A celulignina foi obtida após o pré-tratamento da palha de arroz com H2SO4 diluído e apresentou a seguinte composição (g/100g de matéria seca): celulose (54,9), hemicelulose (7,9), lignina (24,9) e cinzas (8,0). Para os ensaios de sacarificação e fermentação da celulignina com a levedura K. marxianus NRRL Y-6860 duas estratégias foram avaliadas: 1) sacarificação e fermentação em separado (SHF), com e sem inativação das enzimas e 2) sacarificação e fermentação simultânea (SSF) em que o inóculo e as enzimas foram adicionados no início do processo. Os resultados revelaram que na estratégia SHF a inativação das enzimas antes da inoculação não influenciou o desempenho fermentativo da levedura. Além disso, o emprego de um maior teor de celulignina (12 % m/v) proporcionou um ganho de 42 % na produtividade total do processo (QPT) em relação ao teor de 8 % (m/v), atingindo o valor de 0,97 g/L.h. O emprego da estratégia SSF a partir de 8 % (m/v) de celulignina permitiu um incremento de 177 % e 287 % nos valores de QPT quando comparados ao processo SHF com 12 e 8 % de celulignina (m/v), respectivamente. Ensaios de SSF com Saccharomyces cerevisiae mostraram que para ambas as temperaturas avaliadas (30 °C ou 45 °C) a termotolerante K. marxianus NRRL Y-6860 mostrou-se superior com relação a produtividade total do processo. Com os resultados do presente trabalho pode-se concluir que a levedura termotolerante K. marxianus NRRL Y-6860 é um micro-organismo em potencial para produção de etanol celulósico a partir da estratégia SSF devido aos elevados valores de produtividade volumétrica (QPT = 2,69 g/L.h) obtidos a partir da celulignina de palha de arroz. / This work aimed to select a thermotolerant strain of Kluyveromyces marxianus and evaluate its application on ethanol production by using rice straw cellulignin. Initially, were evaluated eight different strains of K. marxianus on semi-synthetic media containing 50 g/L of glucose at 45 °C. According to the main fermentation parameters, the strain K. marxianus NRRL Y-6860 was selected and the effect of oxygenation on ethanol production by this yeast was investigated through a 22 factorial design. The best results of ethanol yield factor (YP/S = 0.44 g/g) and ethanol volumetric productivity (QP = 3.63 g/L.h) were found at the lowest agitation and aeration conditions (100 rpm and 2.5 Vflask/Vmedium ratio) employed. Under this conditions, K. marxianus NRRL Y-6860 was also able to ferment at high glucose concentration (112 g/L), with values of YP/S = 0.42 g/g and QP = 3.24 g/L.h. In a second step, the effect of Cellubrix loading and its supplementation with Novozyme 188 on the cellulignin saccharification were evaluated. The results showed that the highest hydrolysis yield (50 %) was attained when a load of Cellubrix (25 FPU/g dry matter) and Novozyme 188 (25 IU/g dry matter) was used. The cellulignin obtained from dilute sulfuric acid pretreatment of rice straw showed the following composition (g/100g dry matter): cellulose (54.9), hemicellulose (7.9), lignin (24.9) and ash (8.0). For the studies of cellulignin saccharification and fermentation with K. marxianus NRRL Y-6860 two strategies were evaluated: 1) Separate Hydrolysis and Fermentation (SHF), with and without inactivation of enzymes, which inoculum was added after the hydrolysis step and 2) Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF), which inoculum and enzymes were added at the beginning of the process. The results revealed that the enzyme inactivation step prior to inoculation in SHF did not influence the yeast\'s fermentation performance. In addition, the use of a higher loading of cellulignin (12 % w/v) increased the overall ethanol productivity (QPT) in 42 %, reaching a value of 0.97 g/L.h as compared to the loading of 8 % (w/v). The SSF process from 8 % (w/v) of cellulignin increased the values of QPT in 177 % and 287 % when compared to SHF loading of 12 and 8 % (w/v), respectively. By using Saccharomyces cerevisiae in SSF process under different temperatures (30 °C or 45 °C) the overall ethanol productivity was lower in relation with the thermotolerant K. marxianus NRRL Y-6860. Based on the experimental results of this work, it can be concluded that K. marxianus NRRL Y-6860 herein selected represents a potential microorganism to application on ethanol production from lignocellulosic materials in SSF process due to its high fermentative potential at elevated temperatures.

O presente trabalho teve como principal objetivo selecionar uma linhagem termotolerante de Kluyveromyces marxianus e avaliar a sua aplicação em processos de produção de etanol a partir da celulignina de palha de arroz. Inicialmente, foram avaliadas oito diferentes linhagens de K. marxianus em meio semissintético contendo 50 g/L de glicose sob temperatura de 45 °C. De acordo com os principais parâmetros fermentativos obtidos, a linhagem K. marxianus NRRL Y-6860 foi selecionada e o efeito da oxigenação do meio sobre os parâmetros fermentativos desta levedura foi realizado de acordo com um planejamento experimental 22. Os resultados revelaram que a produção de etanol foi favorecida nas menores condições de agitação e aeração estudadas (100 rpm e relação Vfrasco/Vmeio de 2,5) sendo obtido um valor de conversão de glicose em etanol (YP/S) de 0,44 g/g e produtividade volumétrica em etanol (QP) de 3,63 g/L.h. Nestas condições, K. marxianus NRRL Y-6860 foi também capaz de fermentar elevada concentração de glicose (112 g/L), apresentando valores de YP/S = 0,42 g/g e QP = 3,24 g/L.h. Numa segunda etapa, ensaios de sacarificação da celulignina (8% m/v) permitiram definir a carga de Cellubrix (25 FPU/g) e Novozyme 188 (25 UI/g) as quais promoveram um rendimento de hidrólise de aproximadamente 50 % em 12 horas. A celulignina foi obtida após o pré-tratamento da palha de arroz com H2SO4 diluído e apresentou a seguinte composição (g/100g de matéria seca): celulose (54,9), hemicelulose (7,9), lignina (24,9) e cinzas (8,0). Para os ensaios de sacarificação e fermentação da celulignina com a levedura K. marxianus NRRL Y-6860 duas estratégias foram avaliadas: 1) sacarificação e fermentação em separado (SHF), com e sem inativação das enzimas e 2) sacarificação e fermentação simultânea (SSF) em que o inóculo e as enzimas foram adicionados no início do processo. Os resultados revelaram que na estratégia SHF a inativação das enzimas antes da inoculação não influenciou o desempenho fermentativo da levedura. Além disso, o emprego de um maior teor de celulignina (12 % m/v) proporcionou um ganho de 42 % na produtividade total do processo (QPT) em relação ao teor de 8 % (m/v), atingindo o valor de 0,97 g/L.h. O emprego da estratégia SSF a partir de 8 % (m/v) de celulignina permitiu um incremento de 177 % e 287 % nos valores de QPT quando comparados ao processo SHF com 12 e 8 % de celulignina (m/v), respectivamente. Ensaios de SSF com Saccharomyces cerevisiae mostraram que para ambas as temperaturas avaliadas (30 °C ou 45 °C) a termotolerante K. marxianus NRRL Y-6860 mostrou-se superior com relação a produtividade total do processo. Com os resultados do presente trabalho pode-se concluir que a levedura termotolerante K. marxianus NRRL Y-6860 é um micro-organismo em potencial para produção de etanol celulósico a partir da estratégia SSF devido aos elevados valores de produtividade volumétrica (QPT = 2,69 g/L.h) obtidos a partir da celulignina de palha de arroz. / This work aimed to select a thermotolerant strain of Kluyveromyces marxianus and evaluate its application on ethanol production by using rice straw cellulignin. Initially, were evaluated eight different strains of K. marxianus on semi-synthetic media containing 50 g/L of glucose at 45 °C. According to the main fermentation parameters, the strain K. marxianus NRRL Y-6860 was selected and the effect of oxygenation on ethanol production by this yeast was investigated through a 22 factorial design. The best results of ethanol yield factor (YP/S = 0.44 g/g) and ethanol volumetric productivity (QP = 3.63 g/L.h) were found at the lowest agitation and aeration conditions (100 rpm and 2.5 Vflask/Vmedium ratio) employed. Under this conditions, K. marxianus NRRL Y-6860 was also able to ferment at high glucose concentration (112 g/L), with values of YP/S = 0.42 g/g and QP = 3.24 g/L.h. In a second step, the effect of Cellubrix loading and its supplementation with Novozyme 188 on the cellulignin saccharification were evaluated. The results showed that the highest hydrolysis yield (50 %) was attained when a load of Cellubrix (25 FPU/g dry matter) and Novozyme 188 (25 IU/g dry matter) was used. The cellulignin obtained from dilute sulfuric acid pretreatment of rice straw showed the following composition (g/100g dry matter): cellulose (54.9), hemicellulose (7.9), lignin (24.9) and ash (8.0). For the studies of cellulignin saccharification and fermentation with K. marxianus NRRL Y-6860 two strategies were evaluated: 1) Separate Hydrolysis and Fermentation (SHF), with and without inactivation of enzymes, which inoculum was added after the hydrolysis step and 2) Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF), which inoculum and enzymes were added at the beginning of the process. The results revealed that the enzyme inactivation step prior to inoculation in SHF did not influence the yeast\'s fermentation performance. In addition, the use of a higher loading of cellulignin (12 % w/v) increased the overall ethanol productivity (QPT) in 42 %, reaching a value of 0.97 g/L.h as compared to the loading of 8 % (w/v). The SSF process from 8 % (w/v) of cellulignin increased the values of QPT in 177 % and 287 % when compared to SHF loading of 12 and 8 % (w/v), respectively. By using Saccharomyces cerevisiae in SSF process under different temperatures (30 °C or 45 °C) the overall ethanol productivity was lower in relation with the thermotolerant K. marxianus NRRL Y-6860. Based on the experimental results of this work, it can be concluded that K. marxianus NRRL Y-6860 herein selected represents a potential microorganism to application on ethanol production from lignocellulosic materials in SSF process due to its high fermentative potential at elevated temperatures.

O presente trabalho teve como principal objetivo avaliar o potencial de linhagens termotolerantes da espécie Kluyveromyces marxianus para produção de xilitol a partir do hidrolisado hemicelulósico de palha de arroz. Foi também objetivo deste trabalho estabelecer condições de tratamento alcalino diluído (desacetilação) previamente ao processo de hidrólise ácida da palha de arroz com vistas à obtenção de um hidrolisado com menor toxicidade. Numa primeira etapa do trabalho, foram avaliadas 4 cepas de K.marxianus (Y-6860, Y-6373, Y- 265 e Y-8287) quanto a produção de xilitol em meio semidefinido variando a temperatura de 30 a 40 °C. Com base nos resultados obtidos, foi selecionada a linhagem Y-6373, que apresentou os maiores valores de conversão de xilose em xilitol (YP/S = 0,70 g/g) e produtividade volumétrica (QP = 0,60 g/L.h) na temperatura de 40 °C. Esta linhagem foi então utilizada nos ensaios fermentativos a partir dos hidrolisados obtidos. Para obtenção do hidrolisado hemicelulósico, a palha de arroz foi primeiramente submetida a um tratamento alcalino, em escala de frascos Erlenmeyer, onde se avaliou o efeito da temperatura (50 - 70 °C) e da carga de NaOH (20 - 80 mg/g de biomassa) sobre a remoção de grupos acetil. De acordo com o modelo obtido, a máxima remoção de acetil (97,2 ± 3,4%) pôde ser alcançada empregando 70 °C; 80 mg de NaOH /g de palha por 45 min. Nestas condições do processo, o modelo previu remoções de lignina e de cinzas de 41,3 ± 4,3 e 62,3 ± 5,3%, respectivamente, sem perda significativa das frações açucaradas. Em maior escala (reator de 50L), o tratamento alcalino mostrou resultados de remoção de acetil próximos aos previstos pelo modelo. Com a palha desacetilada, foram então realizados ensaios de hidrólise ácida variando a concentração de H2SO4 (0,5 - 1,5% m/v) e tempo de residência (30 - 90 min) visando estabelecer as condições que maximizem a eficiência de hidrólise da hemicelulose (EHH). Nas condições otimizadas, (H2SO4 1,0% m/v e 85 minutos) foi alcançada uma EHH de 75% em frascos e de 76% em reator. Os resultados referentes à fermentabilidade do hidrolisado empregando a K. marxinuas Y-6373 demonstraram que independentemente da suplementação nutricional, a conversão de xilose em xilitol foi elevada ~ 0,87 g/g e superior a obtida em meio semidefinido contendo apenas xilose como fonte de carbono, porém os valores de produtividade volumétrica foram cerca de 6,5 vezes inferiores ~ 0,13 g/L.h, devido a baixa eficiência de utilização da xilose (XC) ~ 20%, após 72 h de cultivo. A fermentabilidade dos hidrolisados foi melhorada após o procedimento de destoxificação e os resultados variaram com o método empregado. Os melhores resultados foram obtidos em hidrolisado tratado com CaO (YP/S= 0,74 g/g; QP = 0,32 g/L.h e XC =92%). Neste trabalho, foi também demonstrado o efeito repressivo da glicose sobre a assimilação e conversão da xilose em xilitol por K. marxianus, uma vez que em meio semidefinido simulando as concentrações de xilose e glicose presentes no hidrolisado, os valores de XC e YP/S foram reduzidos em torno de 40%. De uma forma geral, conclui-se que a linhagem de K. marxianus selecionada neste estudo, apresenta grande potencial para a produção de xilitol em elevadas temperaturas, porém são ainda necessários estudos para otimizar as condições de produção de xilitol a partir de hidrolisados hemicelulósicos. / In this work the potential of thermotolerant strains of Kluyveromyces marxianus to produce xylitol from rice straw hemicellulosic hydrolyzed was evaluated. In addition, were also established conditions of diluted alkaline treatment (deacetylation) previously to the process of rice straw acid hydrolysis, aiming to decrease the toxicity of the hydrolysate . Initially, four yeast strains of K.marxianus (Y-6860, Y-6373, Y-2265 e Y-8287) were evaluated regarding to the xylitol production in a semi-defined medium, varying the temperature from 30 to 40 ºC. From these results, the strain Y-6373 was selected, due to high values of xylose conversion into xylitol (YP/S = 0.70 g/g) and volumetric productivity (QP = 0.60 g/L.h) at 40ºC. This strain was thus used in the fermentative tests employing the hemicellulosic hydrolysate obtained. The hemicellulosic hydrolysate of rice straw was prepared in two steps; firstly the rice straw was submitted to the alkaline treatment, which was carried out in Erlenmeyer flasks scale. In these experiments, the effects of temperature from 50 to 70 °C and NaOH load from 20 to 80 mg/g biomass on the removal of acetyl groups were evaluated. According to the model obtained, the maximum acetyl removal (97.2 ±3.4%) could be achieved by employing 70 ºC; 80 mg of NaOH/g of straw during 45 minutes. Under these conditions, the model predicted lignin and ashes removals of 41.3±4.3 and 62.3±5.3%, respectively, without significant loss of sugars. On a large scale (reactor of 50L), the alkaline treatment showed outcomes of acetyl removal near the ones predicted by the model. After, the deacetylating straw was submitted to acid hydrolysis process, varying the H2SO4 concentration from 0.5 to 1.5% w/v, and the residence time from 30 to 90 minutes, aiming to stablish the conditions that maximize the efficiency of hemicellulose hydrolysis (EHH). Under optimized conditions, (H2SO4 1.0% w/v and 85 minutes) 75% EHH was achieved in Erlenmeyers flasks and 76% in reactor. As regarding the hydrolysate fermentability employing K. marxinuas Y-6373, the results showed that, regardless of the nutritional supplementation, the conversion of xylose into xylitol was high ~ 0.87 g/g and superior in relation to the one obtained at a semidefined medium containing only xylose as a carbon source. Nevertheless, the values ofvolumetric productivity were approximately 6.5 times inferior ~ 0.13 g/L.h, due to the lowefficiency of xylose consumption (XC) ~ 20%, after 72h of cultivation. The hydrolysate fermentability was improved after detoxification and the results varied with the method employed. The best results were obtained on hydrolysate treated with CaO (YP/S= 0.74 g/g; QP = 0.32 g/L.h and XC = 92%). The glucose effect was further examined in semi-defined medium. The results showed that xylose assimilation and xylitol production by K. marxianus was repressed by glucose, since in a semi-defined media simulating the concentrations of xylose/glucose found in the hydrolyzed, the values of XC e YP/S were reduced in approximately 40%. Based on the results, was concluded that the strain of K. marxianus selected on this study, presents a great potential to produce xylitol at elevated temperatures. However, studies are still necessary to optimize the conditions of this bioconversion from the hemicellulosic hydrolysate.

The vast rice production in some developing Asian countries like Indonesia raises expectation on poverty alleviation and energy diversification through second generation biofuel production from rice residues, specifically rice straw. This work attempts to estimate the potential environmental and socioeconomic benefits of rice straw-to-ethanol project in Indonesia. Literature research and interviews are performed to quantify several environmental and socioeconomic indicators that are considered as the major concerns inimplementing an energy project. Assuming all the technically available rice straw in Bali is used (~244-415 kilotonne/year), ethanol production may yield gasoline replacement, lifecycle GHG savings, GDP contribution, foreign exchange savings, and employment beneficiaries of 55-93 ML/year, 140-240 millionUSD/year, 19-32 kilotonne of CO2-equivalent/year, 100-180 million USD/year, and 2,200-3,700 persons, respectively. Sensitivity analyses are done for some parameters, showing that ethanol yield, total capital cost, feed-in-tariff for electricity, and imported crude oil price are the major factors affecting the viability of rice straw-to-ethanol project in Indonesia. / Harnessing agricultural feedstock and residues for bioethanol production - towards a sustainable biofuel strategy in Indonesia

京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(農学) / 乙第13101号 / 論農博第2847号 / 新制||農||1051(附属図書館) / 学位論文||H29||N5033(農学部図書室) / (主査)教授 廣岡 博之, 教授 松井 徹, 准教授 熊谷 元 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

Annually, about 40-60 million tons of postharvest straw are generated in Vietnam. Although considered as renewable resources and economic goods, straw is still burned in the field because there is no longer needed for cooking, roofing and fodder as before 1990s. The general economic development of the country and the rural area changed all the previous practices of using straw. This paper analyzes the socio-economic and technical causes of this phenomenon and summarizes the economic and environmentally friendly uses of rice straw in the future. In addition, it points out that policy failures in the management of straw currently exist and that policies for integrated straw management are needed to improve the value chain in the supply and consumption of straw products; to enhance the effectively use of this resource and minimize environmental pollution. / Hàng năm phát sinh khoảng 40-60 triệu tấn rơm sau thu hoạch ở Việt Nam. Mặc dù được coi là tài nguyên tái tạo và hàng hóa kinh tế, song rơm vẫn bị đốt bỏ ở ngoài ruộng do không còn nhu cầu nhiều cho đun nấu, lợp mái nhà và chăn nuôi như trước những năm 1990. Tình hình phát triển kinh tế chung của đất nước và khu vực nông thôn đã làm thay đổi tất cả thói quen dùng rơm rạ trước đây. Bài báo này phân tích một cảnh tổng quan những nguyên nhân kinh tế - xã hội và kỹ thuật dẫn đến hiện tượng này, tổng hợp những khả năng sử dụng kinh tế và thân thiện môi trường của rơm rạ trong tương lai. Ngoài ra chỉ ra những thất bại về chính sách trong quản lý rơm rạ hiện nay và cần có các chính sách quản lý tổng hợp rơm rạ để nâng cao chuỗi giá trị trong cung ứng và tiêu thụ các sản phẩm rơm rạ, tăng cường việc sử dụng có hiệu quả tài nguyên này và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

The research describes an optimized waste-to-energy technology that utilizes agricultural residues for renewable energy, while reducing global methane emissions and maintaining food security. Laboratory-, pilot- and farm-scale anaerobic batch digesters were evaluated to enhance methane production from the anaerobic digestion of untreated rice straw in dry conditions using a novel co-digestion approach. An existing farm-scale biogas plant loaded with rice straw and piggery wastewater produced 295 MWh in a 422-day digestion cycle. The long acclimation period (approximately 200 days) and low biogas yield (181 LCH4/kgVS) could be enhanced by adding anaerobic sludge from the pulp and paper mill treatment process. In a laboratory setting, the addition of the sludge resulted in a specific methane yield of 335 LCH4/kgVS within 92 days. Hydrolysis of the straw was accelerated, and stable conditions were observed in terms of pH, alkalinity and nutrients. Similar improvements were demonstrated in pilot-scale digesters (1 m3) - a specific methane yield of 231 LCH4/kgVS was achieved in a 93-day digestion cycle with the sludge compared to 189 days without the sludge. Insufficient mixing within the pilot-scale system caused lower overall methane yields than those obtained in the laboratory-scale digesters. If sufficient mixing and mesophilic conditions are maintained within the farm-scale system, the co-digestion of rice straw with pig wastewater and paper mill sludge (wet weight ratio of 1:1.25:0.5) has the potential to reduce the retention time to three months (versus 422 days) and increase methane yields to over 300 LCH4/kgVS