Modelagem matemática das etapas de pré-tratamento hidrotérmico e hidrólise enzimática da palha da cana-de-açúcar

dc.contributor.advisor1Cruz, Antonio José Gonçalves da
dc.contributor.advisor1Latteshttps://lattes.cnpq.br/1812806190521028
dc.contributor.authorSobral, Beatriz Moraes
dc.contributor.authorethnicity
dc.contributor.authorlatteshttps://lattes.cnpq.br/9407939075077544
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0009-0005-6525-6757
dc.contributor.refereeSousa Junior, Ruy de
dc.contributor.refereeNucci, Edson Romano
dc.contributor.refereeLatteshttps://lattes.cnpq.br/1983482879541203
dc.contributor.refereeLatteshttps://lattes.cnpq.br/4274582376583918
dc.date.accessioned2026-03-20T19:21:13Z
dc.date.issued2026-03-09
dc.description.abstractThe production of ethanol from lignocellulosic biomass, such as sugarcane straw, requires the inclusion of additional process steps to release the sugars (monomers, glucose and xylose) that will later be converted into ethanol via the fermentative pathway. The first of these two steps, known as the pretreatment step, promotes the disruption of the cell wall, reducing biomass recalcitrance through the removal or modification of lignin, an increase in surface area and porosity, as well as a decrease in cellulose crystallinity. These modifications aim to make cellulose and hemicellulose more accessible to the enzymes used in the second step of the process, enzymatic hydrolysis. The objective of this work was to implement, in the Scilab software, phenomenological mathematical models that could describe the hydrothermal pretreatment and enzymatic hydrolysis steps of sugarcane straw. Once the temperature (T) and time (t) parameters for the hydrothermal pretreatment stage had been defined, linear regression models were fitted to estimate the severity factor (SF) and the mass yield (MY). Based on this information, the composition of the solid fraction of the pretreated biomass can be obtained by integrating the differential equations resulting from the mass balances of the components released from the biomass during the pretreatment process. All degradation kinetics are assumed to be first order. Subsequently, the composition of the solid fraction is used as input for the enzymatic hydrolysis model, which, once the reaction time and the concentration of the enzymatic extract are provided, estimates the composition of sugars (glucose and xylose) in the liquid fraction. The experimental data used to fit the models were obtained from experiments carried out by the research group of the Laboratory for the Development and Automation of Bioprocesses (LaDABio) and of the Laboratory of Biochemical Engineering (LEB), both in Department of Chemical Engineering, Federal University of São Carlos. According to the results of this study, splitting the cellulose and hemicellulose into reactive and non-reactive parts optimised the description of their degradation profile during pretreatment. Moreover, the graphical method produced promising results for the severity factor estimation, with relative errors of less than 5% for each condition. Regarding enzymatic hydrolysis, the simplified model more accurately characterised the experimental data than the detailed model. Taken together, the most appropriate scenario for the hydrothermal pre-treatment of sugarcane straw is operating at an isothermal temperature of 195 °C for 10 minutes.eng
dc.description.resumoA produção de etanol a partir de biomassa lignocelulósica, como a palha de cana-de-açúcar, exige a inclusão de etapas adicionais no processo para liberação dos açúcares (monômeros) que serão posteriormente convertidos em etanol pela via fermentativa. A primeira delas, denominada de etapa de pré-tratamento, promove a desestruturação da parede celular, reduzindo a recalcitrância da biomassa por meio da remoção ou modificação da lignina, do aumento da área superficial, da porosidade, bem como da diminuição da cristalinidade da celulose. Essas modificações têm como objetivo tornar a celulose e a hemicelulose mais acessíveis às enzimas utilizadas na segunda etapa do processo, a hidrólise enzimática. O objetivo deste trabalho foi implementar, no aplicativo Scilab, modelos matemáticos fenomenológicos que descrevessem as etapas do pré-tratamento hidrotérmico e hidrólise enzimática da palha de cana-de-açúcar. Uma vez definidos a temperatura (T) e o tempo (t) empregados na etapa de pré-tratamento hidrotérmico, modelos de regressão linear por método de interpolação e pelo método gráfico foram empregados para estimar o fator de severidade (FS) e o rendimento mássico (Rm). A partir destas informações, obteve-se a composição da fração sólida da biomassa pré-tratada a partir da integração das equações diferenciais resultantes dos balanços de massa para os componentes liberados da biomassa ao longo do pré-tratamento. As cinéticas de degradação foram consideradas todas de primeira ordem, por ser a hipótese assumida de forma extensiva na literatura. Na sequência, a composição da fração sólida alimentou o modelo de hidrólise enzimática, que, uma vez fornecidos o tempo da reação e a concentração do extrato enzimático empregado, estima a composição dos açúcares (glicose e xilose) na fração líquida. As informações experimentais utilizadas para o ajuste dos modelos foram obtidas de experimentos realizados no grupo de pesquisa do Laboratório de Desenvolvimento e Automação de Bioprocessos (LaDABio) e do Laboratório de Engenharia Bioquímica (LEB), ambos do Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal de São Carlos. De acordo com os resultados deste trabalho, a divisão da celulose e da hemicelulose em parcelas reativa e não reativa possibilitou a descrição do consumo da fração sólida durante o pré-tratamento; o método gráfico atingiu resultados promissores para a estimativa do fator de severidade, com valores de erro relativo menores que 5% para todas as condições operacionais; o modelo simplificado para a hidrólise enzimática caracterizou os dados experimentais com maior precisão do que o modelo detalhado. Considerando o módulo sequencial dentre as condições testadas, o cenário operacional mais indicado é a isoterma de 195 °C por 10 minutos.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.description.sponsorshipIdProcesso nº 88887.949076/2024-00, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES)
dc.identifier.citationSOBRAL, Beatriz Moraes. Modelagem matemática das etapas de pré-tratamento hidrotérmico e hidrólise enzimática da palha da cana-de-açúcar. 2026. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/23804.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/23804
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
dc.relation.urihttps://proceedings.science/cobeq-enbeq/cobeq-2025/trabalhos/modelagem-matematica-da-etapa-de-pre-tratamento-hidrotermico-da-palha-de-cana-de?lang=pt-br
dc.rightsAttribution 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/
dc.subjectPalha de cana-de-açúcar
dc.subjectPré-tratamento hidrotérmico
dc.subjectHidrólise enzimática
dc.subjectModelagem matemática
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA::BIOENGENHARIA::MODELAGEM DE SISTEMAS BIOLOGICOS
dc.subject.ods7. Energia limpa e acessível
dc.subject.ods9. Indústria, Inovação e Infraestrutura
dc.subject.ods13. Ação contra a Mudança Global do Clima
dc.titleModelagem matemática das etapas de pré-tratamento hidrotérmico e hidrólise enzimática da palha da cana-de-açúcar
dc.title.alternativeMathematical modelling of the hydrothermal pretreatment and enzymatic hydrolysis stages of sugarcane straweng
dc.typeDissertação

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