Orientador: Aline Carvalho da Costa

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: A produção de etanol lignocelulósico a partir de bagaço de cana-de-açúcar é uma alternativa promissora para a ampliação da matriz energética brasileira. Porém, definir as estratégias mais eficientes de pré-tratamento e hidrólise da biomassa ainda é imprescindível para a viabilização...

Resumo: A produção de etanol lignocelulósico a partir de bagaço de cana-de-açúcar é uma alternativa promissora para a ampliação da matriz energética brasileira. Porém, definir as estratégias mais eficientes de pré-tratamento e hidrólise da biomassa ainda é imprescindível para a viabilização econômica desse processo. Assim, este trabalho visou ao desenvolvimento de um modelo matemático para descrever a hidrólise enzimática de bagaço de cana em altas concentrações de sólidos e produto. O objetivo foi aplicar o modelo no estudo de diferentes estratégias de reação, identificando condições ótimas para a obtenção de hidrolisados ricos em glicose. Inicialmente, quatro modelos distintos foram considerados. A estimação de seus parâmetros foi feita utilizando a técnica de evolução diferencial, ED (software OCTAVE v.4.2.1). Dados experimentais de hidrólise enzimática em batelada (cargas de sólidos: 5-20% m/v) foram empregados nessa etapa e dois substratos foram considerados: bagaço submetido a pré-tratamento hidrotérmico (BH) e bagaço deslignificado (BAD). A melhor capacidade de ajuste foi obtida por um modelo de cinco parâmetros baseado em um esquema de uma reação. Essa modelagem incluiu diminuição da taxa de reação em função do aumento de conversão e inibição competitiva por glicose. Uma constante de inibição modificada foi usada para incorporar o aumento de severidade da inibição em hidrolisados com alto teor de açúcar. Contudo, o modelo mostrou problemas de identificabilidade devido à presença de parâmetros altamente correlacionados. Mesmo assim, ele foi capaz de fornecer resultados satisfatórios no teste F modificado (estimativas de erro iguais a 7,2 e 4,7%). Na fase de reestimação de parâmetros, o modelo também descreveu com acurácia aceitável as estratégias de hidrólise em batelada alimentada e em etapas. Por fim, a modelagem proposta foi empregada na otimização via ED dos processos de hidrólise estudados. Simulações em modo de batelada alimentada sugeriram que novos esquemas de alimentação podem aumentar a concentração final de glicose no hidrolisado, especialmente em sistemas usando BH. Já os resultados de otimização da estratégia de reações em etapas indicaram aumento no teor final de açúcar para os dois substratos avaliados, com predição de até 158,33 g/L de glicose na hidrólise de BAD

Abstract: The production of lignocellulosic ethanol using sugarcane bagasse is a promising alternative to expand the Brazilian energy matrix. However, determining the most efficient strategies of biomass pretreatment and hydrolysis is still imperative for the commercial feasibility of the process....

Abstract: The production of lignocellulosic ethanol using sugarcane bagasse is a promising alternative to expand the Brazilian energy matrix. However, determining the most efficient strategies of biomass pretreatment and hydrolysis is still imperative for the commercial feasibility of the process. Thus, this work aimed at the development of a mathematical model for the enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse under high concentrations of solids and product. The goal was to apply the model in the study of different reaction strategies, identifying the optimal conditions to attain glucose-rich hydrolysates. Initially, four distinct models were considered. Differential evolution (DE) was used for parameter estimation (software OCTAVE v.4.2.1). Batch experimental data of enzymatic hydrolysis (solids loads: 5-20% w/v) was also applied in this step and two substrates were considered: bagasse subjected to hydrothermal pretreatment (HB) and delignified bagasse (ADB). The best goodness of fit result was attained by a five parameter model based on a scheme with one reaction. This model included both the decrease in reaction rate with increasing conversion and the competitive inhibition by glucose. Also, a modified inhibition constant was used in order to incorporate the increasing severity of product inhibition in hydrolysates with high sugar content. Yet, the model showed identifiability issues due to highly correlated parameters. Nevertheless, it was able to provide good results to the modified F test (error estimates of 7.2 and 4.7%). In the parameter re-estimation phase, the model also described the fed-batch and the three-stage hydrolysis strategies with acceptable accuracy. Finally, the proposed model was used during the DE-based optimization of the considered hydrolysis processes. Fed-batch mode simulations suggested that the new feeding polices can increase the final glucose concentration in the hydrolysate, especially for systems using HB. On the other hand, the optimization results of the three-stage process indicated increasing sugar content for both analyzed substrates, predicting up to 158.33 g/L of glucose for ADB hydrolysis

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