Estimação de parâmetros e análise do desempenho termodinâmico na hidrólise enzimática em batelada alimentada para a conversão de biomassa em glicose
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Boutros Sarrouh
Iara Rebouças Pinheiro
Antonella Lombardi Costa
Viviane Santos Birchal
Iara Rebouças Pinheiro
Antonella Lombardi Costa
Viviane Santos Birchal
Resumo
Dentre as etapas necessárias para a produção do bioetanol, utilizando biomassa lignocelulósica, o pré-tratamento e hidrólise enzimática podem ser classificados como as mais importantes. Em geral, a biomassa lignocelulósica é composta por celulose, hemicelulose e lignina. A lignina se organiza de forma complexa e não uniforme, promovendo a recalcitrância da biomassa. Tal característica dificulta o ataque enzimático à celulose para a conversão em glicose, e, consequentemente, a produção do biocombustível. O desempenho na hidrólise enzimática é caracterizado pelo rendimento e produtividade da glicose, que depende da composição e pré-tratamento da biomassa lignocelulósica, concentração de enzima, dentre outros fatores. Portanto, a hidrólise enzimática em batelada alimentada empregada na conversão de biomassa em biocombustíveis foi analisada nesse trabalho. Em função da sua complexidade, a descrição matemática deste sistema, influenciada pela composição da biomassa e a formação de inibidores, é um desafio. Para abordar essa complexidade, o estudo visa modelar o processo, realizando estimação de parâmetros para atingir altas concentrações de glicose em um biorreator operando em batelada alimentada. Usando propriedades termodinâmicas, especialmente a análise exergética, buscou-se avaliar o desempenho e a sustentabilidade do processo. Sendo assim, foi utilizado um estudo previamente desenvolvido por Cavalcanti-Montaño et al. (2013). Ao considerar a evaporação do solvente do meio reacional, o comportamento do perfil para o volume predito nesse trabalho foi semelhante ao volume experimental obtido na literatura. Além disso, a partir da estimação de parâmetros, foi possível obter taxas de concentração de glicose iguais a 204,23 g.L-1 para uma concentração glicose potencial inicial de 44 gglicose-potencial.Lsolução-1. Além disso, O potencial exergético total disponibilizado ao sistema foi de 1239,93 kJ, sendo que 30% dessa exergia foi destruída ao final da operação. O sistema alcançou uma eficiência exergética global de 70,04%, enquanto a racional atingiu 37,33% no final do processo. Além disso, o indicador de sustentabilidade do processo (ISP) atingiu um valor de 1,67 e o sistema alcançou um valor para a sustentabilidade termodinâmica de 3,34. Portanto, o sistema demostrou sua sustentabilidade termodinâmica, em que o índice de sustentabilidade do processo confirma uma abordagem promissora para a operação em batelada alimentada.
Abstract
Among the steps necessary for the production of bioethanol, using lignocellulosic
biomass, pre-treatment and enzymatic hydrolysis can be classified as the most important.
In general, lignocellulosic biomass is composed of cellulose, hemicellulose and lignin.
Lignin is organized in a complex and non-uniform way, promoting biomass recalcitrance.
This characteristic hinders the enzymatic attack on cellulose for conversion into glucose,
and, consequently, the production of biofuel. Performance in enzymatic hydrolysis is
characterized by the yield and productivity of glucose, which depends on the composition
and pre-treatment of lignocellulosic biomass, enzyme concentration, among other factors.
Therefore, fed-batch enzymatic hydrolysis used in the conversion of biomass into biofuels
was analyzed in this work. Due to its complexity, the mathematical description of this
system, influenced by the composition of the biomass and the formation of inhibitors, is
a challenge. To address this complexity, the study aims to model the process, estimating
parameters to achieve high glucose concentrations in a bioreactor operating in fed-batch
mode. Using thermodynamic properties, especially exergy analysis, we sought to evaluate
the performance and sustainability of the process. Therefore, a study previously
developed by Cavalcanti-Montaño et al. (2013). When considering the evaporation of the
solvent from the reaction medium, the behavior of the profile for the volume predicted in
this work was similar to the experimental volume obtained in the literature. Furthermore,
based on parameter estimation, it was possible to obtain glucose concentration rates equal
to 204.23 g.L-1
for an initial potential glucose concentration of 44 gglucose-potential.Lsolution-1
.
The total exergy potential available to the system was 1,239.93 kJ, with 30% of this
exergy being destroyed at the end of the operation. The system achieved an overall exergy
efficiency of 70.04%, while the rational efficiency reached 37.33% at the end of the
process. Furthermore, the process sustainability indicator (PSI) reached a value of 1.67
and the system achieved a thermodynamic sustainability value of 3.34. Therefore, the
system demonstrated its thermodynamic sustainability, where the process sustainability
index confirms a promising approach for fed-batch operation.
Assunto
Engenharia mecânica, Energia, Biomassa, Exergia (Termodinâmica), Biocombustíveis, Sustentabilidade, Hidrólise, Lignina, Bioetanol, Glicose, Análise de desempenho
Palavras-chave
Hidrólise enzimática, Estimação de parâmetros, Análise de exergia, Biocombustível, Sustentabilidade, Biomassa, Glicose