Monitoramento por espectroscopia dos compostos fenólicos e furaldeídos gerados no processamento de biomassa lignocelulósica
Ano de defesa: | 2017 |
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Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
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Resumo: | The major process challenge of the second-generation ethanol (2G) production is related with characterization of hydrolyzate from lignocellulosic biomass, which often contains high quantities of phenolic compounds and furan derivatives. These components of hydrolyzate are responsible for inhibit and deactivate enzymes during hydrolysis in addition to negatively influence the fermentation step. The phenolic compounds and furaldehydes quantification could help to highlight the bioprocesses limitations. As a result, it could allow the process improvement that may be characterized by more productive, robust and tolerant to these compounds. Concerning about this objective, rapid, efficient, and low-cost technologies for monitoring the phenolic compounds and furan derivatives are essential for better control of the pretreatment, hydrolysis and fermentation steps during 2G ethanol production. For achieving that goal it was verified the viability of monitoring phenolic compounds and furaldheydes by the use of chemometric techniques. The Ultraviolet Visible and Near Infrared spectral regions were analyzed in association with Partial Least Squares (PLS) regression for monitoring the inhibitors from pretreatment hydrolyzate of sugarcane bagasse. Hydrolyzate samples from liquid hot water pretreatment of biomass plus synthetic samples were evaluated on distinct calibration and test trials. The negative effect in both hydrolysis and fermentation process were considered for monitoring components from hydrolyzate and synthetic mixtures. Then, the concentration of vanillin, hydroxymethylfurfural, furfural, as well as ferulic, gallic and p-coumaric acids were analyzed. It was found that the most accurate PLS model could be used to monitor phenolic compounds and furaldehydes during the liquid hot water pretreatment of lignocellulosic material from three different operating conditions. The best predicting concentrations provided satisfactory accuracy for each analyte by presenting PLS-UV-Vis models with potential for process monitoring (standard deviation of prediction for cross-validation leave-one-out (RMSECV) around 3.0 to 9.0% and residual predictive deviation (RPD) was from 2.0 up to 5.0). |
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Pinto, Ariane Silveira SbriceFarinas, Cristiane Sanchezhttp://lattes.cnpq.br/9933650905615452Ribeiro, Marcelo Perencin de Arrudahttp://lattes.cnpq.br/0381402687491195http://lattes.cnpq.br/61344379944303282021-03-08T15:00:06Z2021-03-08T15:00:06Z2017-02-20PINTO, Ariane Silveira Sbrice. Monitoramento por espectroscopia dos compostos fenólicos e furaldeídos gerados no processamento de biomassa lignocelulósica. 2017. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2017. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/13942.https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/13942The major process challenge of the second-generation ethanol (2G) production is related with characterization of hydrolyzate from lignocellulosic biomass, which often contains high quantities of phenolic compounds and furan derivatives. These components of hydrolyzate are responsible for inhibit and deactivate enzymes during hydrolysis in addition to negatively influence the fermentation step. The phenolic compounds and furaldehydes quantification could help to highlight the bioprocesses limitations. As a result, it could allow the process improvement that may be characterized by more productive, robust and tolerant to these compounds. Concerning about this objective, rapid, efficient, and low-cost technologies for monitoring the phenolic compounds and furan derivatives are essential for better control of the pretreatment, hydrolysis and fermentation steps during 2G ethanol production. For achieving that goal it was verified the viability of monitoring phenolic compounds and furaldheydes by the use of chemometric techniques. The Ultraviolet Visible and Near Infrared spectral regions were analyzed in association with Partial Least Squares (PLS) regression for monitoring the inhibitors from pretreatment hydrolyzate of sugarcane bagasse. Hydrolyzate samples from liquid hot water pretreatment of biomass plus synthetic samples were evaluated on distinct calibration and test trials. The negative effect in both hydrolysis and fermentation process were considered for monitoring components from hydrolyzate and synthetic mixtures. Then, the concentration of vanillin, hydroxymethylfurfural, furfural, as well as ferulic, gallic and p-coumaric acids were analyzed. It was found that the most accurate PLS model could be used to monitor phenolic compounds and furaldehydes during the liquid hot water pretreatment of lignocellulosic material from three different operating conditions. The best predicting concentrations provided satisfactory accuracy for each analyte by presenting PLS-UV-Vis models with potential for process monitoring (standard deviation of prediction for cross-validation leave-one-out (RMSECV) around 3.0 to 9.0% and residual predictive deviation (RPD) was from 2.0 up to 5.0).Um dos principais desafios na produção do etanol de segunda geração (2G) está relacionado à caracterização dos hidrolisados da biomassa lignocelulósica que, frequentemente, contêm quantidades elevadas de compostos fenólicos e furaldeídos. Estes componentes são responsáveis por inibir e desativar enzimas no processo de hidrólise, além de influenciarem negativamente na etapa de fermentação. A quantificação dos compostos fenólicos e furaldeídos poderia auxiliar na elucidação das limitações destes bioprocessos. Consequentemente, seria possível otimizar a produção de etanol 2G com estratégicas aplicadas ao processo, tornando-o mais eficiente, robusto e tolerante a estes inibidores. Neste contexto, tecnologias rápidas, eficientes e de baixo custo para o monitoramento dos furaldeídos e compostos fenólicos torna-se crucial na otimização das etapas de produção do etanol 2G. A fim de alcançar este propósito, avaliou-se a viabilidade de monitorar os principais inibidores presentes no hidrolisado a partir de técnicas quimiométricas. Espectroscopias nas regiões do Ultravioleta-Visível bem como do Infravermelho Próximo associadas à regressão por Mínimos Quadrados Parciais (do inglês, Partial Least Squares - PLS) foram avaliadas no monitoramento de inibidores originados no processo de pré-tratamento do material lignocelulósico da cana-de-açúcar. Amostras de hidrolisado obtidas no pré-tratamento hidrotérmico da biomassa, bem como amostras sintéticas foram consideradas em diferentes conjuntos de calibração e teste dos modelos PLS. A escolha dos analitos monitorados foi baseada no efeito inibitório provocado nas etapas de hidrólise enzimática e fermentação. Assim, analisaram-se modelos de previsão para a concentração de vanilina, hidroximetilfurfural, furfural, bem como para os ácidos felúrico, gálico e p-cumárico. Os resultados garantiram o monitoramento destes compostos no hidrolisado do pré- tratamento hidrotérmico do bagaço da cana-de-açúcar em três condições de operação. As previsões de concentração foram satisfatoriamente precisas em modelagens PLSUV-Vis, apresentando modelos PLS com potencial aplicação no monitoramento destes analitos durante o processo (desvio padrão de previsão na validação cruzada leave-oneout (RMSECV) em torno de 3,0 a 9,0% e desvio residual de previsão (RPD) de 2,0 até 5,0).Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)CNPq: 132172/2015-1porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessCompostos fenólicosEtanol de segunda geraçãoEspectroscopia no infravermelho próximoEspectroscopia no ultravioleta-visívelRegressão por mínimos quadrados parciaisPhenolic compoundsSecond-generation ethanolNear infrared spectroscopyUltraviolet-visible spectroscopyPartial least squares regressionENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICAENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAENGENHARIASCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA ANALITICA::METODOS OTICOS DE ANALISEMonitoramento por espectroscopia dos compostos fenólicos e furaldeídos gerados no processamento de biomassa lignocelulósicaSpectroscopy monitoring of phenolic compounds and furaldehydes that are generated in the processing of lignocellulosic biomassinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDissertação- Mestrado em Eng. Química (Ariane Silveira Sbrice Pinto).pdfDissertação- Mestrado em Eng. Química (Ariane Silveira Sbrice Pinto).pdfRelatório de pesquisaapplication/pdf2657868https://{{ getenv "DSPACE_HOST" "repositorio.ufscar.br" }}/bitstream/ufscar/13942/1/Disserta%c3%a7%c3%a3o-%20Mestrado%20em%20Eng.%20Qu%c3%admica%20%28Ariane%20Silveira%20Sbrice%20Pinto%29.pdfa691e1d8e90b8c25c277ff355ed9ecfcMD51Carta Comprovante - Depósito da dissertação.pdfCarta Comprovante - Depósito da dissertação.pdfCarta Comprovante - Depósito da dissertaçãoapplication/pdf339820https://{{ getenv "DSPACE_HOST" "repositorio.ufscar.br" }}/bitstream/ufscar/13942/4/Carta%20Comprovante%20-%20Dep%c3%b3sito%20da%20disserta%c3%a7%c3%a3o.pdf9b0274dbab967481c2b71cdc2deadb26MD54CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://{{ getenv "DSPACE_HOST" "repositorio.ufscar.br" }}/bitstream/ufscar/13942/5/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD55TEXTDissertação- Mestrado em Eng. 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