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Modelagem fuzzy-cinética e monitoramento espectrofotométrico da hidrólise enzimática do bagaço de cana-de açúcar em sistema de reatores com separação de fases
dc.contributor.author | Souza, Daniel de Castro | |
dc.date.accessioned | 2024-07-12T12:23:27Z | |
dc.date.available | 2024-07-12T12:23:27Z | |
dc.date.issued | 2024-02-27 | |
dc.identifier.citation | SOUZA, Daniel de Castro. Modelagem fuzzy-cinética e monitoramento espectrofotométrico da hidrólise enzimática do bagaço de cana-de açúcar em sistema de reatores com separação de fases. 2024. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2024. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/19932. | * |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/19932 | |
dc.description.abstract | The decrease in fossil fuel reserves combined with the growing global energy demand fosters the search for alternatives. Within this scope, a possible solution may arise from the use of biofuels, such as ethanol, produced based on renewable sources. In Brazil, in alignment with such efforts, this alcohol is already produced on a large scale from the fermentation of sugarcane juice. This process can have its yield increased by using the remaining sugarcane bagasse itself as a substrate in alcoholic fermentation. The ethanol produced in this way is called second-generation ethanol (2G). To enable this process, the bagasse must be pretreated, exposing its fibers and allowing its hydrolysis. Hydrolysis is responsible for breaking the cellulose molecules into monosaccharides that can be consumed by yeast during fermentation. Enzymatic hydrolysis occurs under mild conditions and releases fewer compounds that inhibit fermentation, which, despite the high cost of the enzyme, makes it more attractive compared to chemical hydrolysis. Based on this context, the present project aimed to study a non-conventional reaction system built in the research group, using experimental data from liquid chromatography and infrared absorption spectroscopy obtained previously. Due to the complexity of the reaction system, the application of phenomenological models is impractical, and semi-mechanistic approaches are presented as an alternative. Therefore, a fuzzy-kinetic model based on Michaelis-Menten kinetics was developed aiming to obtain an equation system capable of describing the process for different feed conditions. This study presents significant results, highlighting the creation of an innovative kinetic model for the enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse in reactors with phase separation. The identifiability analysis of the model parameters revealed its robustness in describing the reaction kinetics. Anticipating possible deviations between the model and the real reaction, it was chosen to develop a monitoring system using near-infrared spectroscopy. In this work, a predictive concentration model based on spectra was developed through a combination of variable selection by genetic algorithm and partial least squares regression, resulting in a model with cross-validation errors of ±0, 012 g/L for cellobiose, ±0, 650 g/L for glucose, and ±0, 072 g/L for xylose. | eng |
dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | por |
dc.language.iso | por | por |
dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | por |
dc.rights | Attribution-NonCommercial 3.0 Brazil | * |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/br/ | * |
dc.subject | Hidrólise enzimática | por |
dc.subject | Modelagem de processos | por |
dc.subject | Etanol 2G | por |
dc.subject | Modelagem fuzzy | por |
dc.subject | Monitoramento espectroscópico | por |
dc.subject | Enzymatic hydrolysis | eng |
dc.subject | Process modeling | eng |
dc.subject | 2G ethanol | eng |
dc.subject | Fuzzy modeling | eng |
dc.subject | Spectroscopic monitoring | eng |
dc.title | Modelagem fuzzy-cinética e monitoramento espectrofotométrico da hidrólise enzimática do bagaço de cana-de açúcar em sistema de reatores com separação de fases | por |
dc.title.alternative | Fuzzy-kinetic modeling and spectrophotometric monitoring of enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse in a reactor system with phase separation | eng |
dc.type | Dissertação | por |
dc.contributor.advisor1 | Ribeiro, Marcelo Perencin de Arruda | |
dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/0381402687491195 | por |
dc.description.resumo | A diminuição das reservas de combustíveis fósseis aliada à crescente demanda energética mundial fomenta a busca por alternativas. Neste escopo, uma possível solução pode surgir a partir do uso de biocombustíveis, como o etanol, produzido com base em fontes renováveis. No Brasil, em alinhamento com tais esforços, este álcool já é produzido em larga escala a partir da fermentação do caldo-de-cana. Este processo pode ter seu rendimento incrementado através da utilização do próprio bagaço restante da cana-de-açúcar como substrato em fermentação alcoólica. O etanol produzido dessa forma é denominado etanol de segunda geração (2G). Para possibilitar tal processo, o bagaço deve ser pré-tratado, expondo suas fibras e permitindo sua hidrólise. A hidrólise é responsável por quebrar as moléculas de celulose em monossacarídeos que possam ser consumidos pelas leveduras durante a fermentação. A hidrólise enzimática ocorre em condições amenas e libera menos compostos que inibem a fermentação, o que, apesar do alto custo da enzima, a torna mais interessante em relação à hidrólise química. Com base neste contexto, o presente projeto visou estudar um sistema reacional não convencional construído no grupo de pesquisa, utilizando-se de dados experimentais de cromatografia líquida e de espectroscopia de absorção do infravermelho obtidos anteriormente. Devido à complexidade do sistema reacional, a aplicação de modelos fenomenológicos é impraticável, e abordagens semi- mecanísticas apresentam-se como alternativa. Portanto, um modelo fuzzy-cinético baseado na cinética de Michaelis-Menten foi desenvolvido visando obter um sistema equacional capaz de descrever o processo para diferentes condições de alimentação.Este estudo apresenta resultados significativos, destacando a criação de um modelo cinético inovador para a hidrólise enzimática do bagaço de cana-de-açúcar em reatores com separação de fases. A análise de identificabilidade dos parâmetros do modelo revelou sua robustez na descrição da cinética da reação. Prevendo possíveis desvios entre o modelo e a reação real, optou-se por desenvolver um sistema de monitoramento utilizando espectroscopia na região do infravermelho próximo. Neste trabalho, um modelo preditivo de concentrações com base nos espectros foi desenvolvido através de uma combinação de seleção de variáveis por algoritmo genético e da regressão por mínimos quadrados parciais, obtendo-se um modelo com erro de validação cruzada de ±0, 012 g/L para a celobiose, ±0, 650 g/L para a glicose e ±0, 072 g/L para a xilose. | por |
dc.publisher.initials | UFSCar | por |
dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ | por |
dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA | por |
dc.publisher.address | Câmpus São Carlos | por |
dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/0730367989562450 | por |
dc.contributor.authororcid | https://orcid.org/0009-0003-1172-5197 | por |