A abordagem de biorrefinarias é uma alternativa para agregar valor aos resíduos do tabaco e produzir compostos de alto interesse comercial. Neste estudo, foi avaliado o potencial de recuperação de xilooligosacarídeos (XOS) a partir do caule de tabaco pré-tratado hidrotermicamente. Foi realizada a otimização da cinética de liberação de açúcares do pré-tratamento hidrotérmico em altas cargas de sólidos (20% m/v). A condição de melhor recuperação de oligômeros e menor solubilização de compostos de degradação e açúcares redutores foi reproduzida em larga escala e a fração sólida resultante dedicada à otimização da hidrólise enzimática em diferentes cargas de sólidos (5, 10 e 15% m/v). Visando a produção de ácido succínico, a melhor condição seguiu para etapa de fermentação com a bactéria Actinobacillus succinogenes. Durante o pré-tratamento hidrotérmico, a temperatura de 190 °C e o tempo de 8 min foram as condições de melhor desempenho, obtendo rendimentos em XOS de 49,54% e concentração de 11,106 g/L. Na hidrólise enzimática, as diferentes cargas de sólidos não tiveram influência significativa na eficiência reacional. Assim, foi possível utilizar altas cargas de sólidos (15% m/v) para recuperar hidrolisados mais concentrados (49,37 g/L) com altos rendimentos (62,90%). De forma pioneira, foi evidenciado que os resíduos do tabaco podem ser utilizados para produção de ácido succínico. No líquido fermentado, a concentração desse ácido após 30 h era de 16,6 g/L e o rendimento desta etapa foi de 46%. O balanço de massa mostrou possível recuperar 55 kg de XOS e 86kg de ácido succínico a cada 1000 kg de biomassa.