Submitted by Neusa Fagundes (neusa.fagundes@unioeste.br) on 2018-02-21T13:45:42Z No. of bitstreams: 2 Marcio_Silva2017.pdf: 1467691 bytes, checksum: 00782e4843226f24039f4eafcdf61afb (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-21T13:45:42Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Marcio_Silva2017.pdf: 1467691 bytes, checksum: 00782e4843226f24039f4eafcdf61afb (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-08-10 / Mathematical Modeling, as a tendency of Mathematics Education, is not yet present in the scope of Basic Education. One of the factors that can contribute to overcoming this situation is the training of teachers. Teachers have their own conceptions about teaching, learning, mathematics and methodology in general. Considering this condition, a relevant research topic is the study of these conceptions, in a context of continuous formation. From this perspective, we were able to establish an interrogation, under a phenomenological view of research: In what ways do the prior conceptions of teachers operate in their continued formation in Mathematical Modeling? This question asks to be clarified and requests its own procedures, such as the understanding of the region of inquiry that we are in - teacher training in Mathematical Modeling - the definition of the type of research that we need to carry out - the qualitative one according to a phenomenological research position - The selection of instruments for the collection of significant material, the explicitation of aspects of the proposal for Continuing Education in Mathematical Modeling which has developed in different education centers in the state of Paraná and the ways in which we undertake analyzes and interpretations. The present research was developed within the group of Continuing Education in Mathematical Modeling established in the city of Tupãssi - Paraná, which counts with the participation of five professors in addition to the teacher who assumes the role of trainer. The material that was significant to the research was collected during 12 meetings of this group through audio recordings between the period of April 13, 2016 and September 21, 2016. For organization and analysis of the data we used Atlas software. We arrive to allow us to affirm that even teachers still finding themselves guided by the exercise paradigm present in their conceptions openness to pedagogical innovations such as Mathematical Modeling and in this way show us about the importance in pondering the ways in which the previous conceptions of teachers operate in Formation Continued in Mathematical Modeling. Be they as obstacles, potentialities, or other modes, in order to contribute to the elaboration of a proposal of Training in Mathematical Modeling that, contemplating these aspects, will favor the adoption of the Modeling by the teachers thus providing for the dissemination of the Modeling as a trend in Mathematics education. / A Modelagem Matemática, enquanto tendência da Educação Matemática, ainda não está presente no escopo da Educação Básica. Um dos fatores que pode contribuir para a superação desse quadro é a formação de professores. Os professores possuem as suas próprias concepções sobre ensino, aprendizagem, matemática e metodologia em geral. Considerando essa condição, um tema de pesquisa relevante é o estudo dessas concepções, num contexto de formação continuada. Dessa perspectiva, pudemos estabelecer uma interrogação, sob uma visão fenomenológica de pesquisa: De que modos às concepções prévias dos professores operam em sua formação continuada em Modelagem Matemática? Essa interrogação solicita ser esclarecida e solicita procedimentos próprios, como o entendimento da região de inquérito em que nos situamos - a formação de professores em Modelagem Matemática – a definição do tipo de pesquisa a qual necessitamos realizar – a qualitativa segundo uma postura fenomenológica de pesquisa - a eleição de instrumentos de recolha de material significativo, a explicitação de aspectos da proposta de formação continuada em Modelagem Matemática a qual tem se desenvolvido em distintos núcleos de Educação do estado do Paraná e os modos pelos quais empreendemos as análises e as interpretações. A presente pesquisa foi desenvolvida no âmbito do grupo de formação continuada em Modelagem Matemática estabelecido no município de Tupãssi – Paraná, o qual conta com a participação de cinco professores formandos além do professor que assume a função de formador. Os materiais significativos à pesquisa foram coletados durante 12 encontros do referido grupo por meio de gravações de áudio entre o período de 13 de abril de 2016 e 21 de setembro de 2016. Para organização e análise dos dados utilizamos o software Atlas t.i. As considerações a que chegamos nos permitem afirmar que, mesmo os professores ainda encontrando-se orientados pelo paradigma do exercício, apresentam em suas concepções abertura a inovações pedagógicas, como a Modelagem Matemática, e dessa forma, nos mostram sobre a importância em ponderar os modos como as concepções prévias dos professores operam na formação continuada em Modelagem Matemática. Sejam elas como obstáculos, potencialidades, ou outros modos, de forma a contribuir para a elaboração de uma proposta de formação em Modelagem Matemática que, contemplando estes aspectos, favorecerá a adoção da Modelagem pelos professores, assim, ensejando para a disseminação da Modelagem enquanto tendência norteadora do ensino da matemática.

Submitted by Neusa Fagundes (neusa.fagundes@unioeste.br) on 2018-06-18T14:07:05Z No. of bitstreams: 2 Joemar_Rego2017.pdf: 1611397 bytes, checksum: 93793aba5f8951c59d8d5fc284174031 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-18T14:07:05Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Joemar_Rego2017.pdf: 1611397 bytes, checksum: 93793aba5f8951c59d8d5fc284174031 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-07-14 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In Brazil, soybeans are considered one of the main agricultural products, however, with the expansion of agriculture, new phytosanitary diseases have emerged. Thus, inadequate storage can lead to the growth of insects and microorganisms as well as promote product deterioration. Currently, ozone gas is among the products being studied for the disinfection of fungi, which is formed by three molecules of oxygen (O3) and its final product is oxygen. In addition, O3 is considered safe by the food industry. Thus, the objectives of this study were to evaluate both the effects of ozone gas during drying in terms of physiological and physical-chemical quality, as well as the efficiency of fungal decontamination and to determine the modeling of drying curves for soybean seeds. For this study, seeds of cultivar NK 7059 (V-máx RR), produced in the Medianeira-PR region, from the 2016 crop with 20.18% B.U. A factorial design 22 with center point was used, with times (5, 10 and 15 minutes) and temperature (30, 40 and 50 ° C). The mathematical model that presented the best fit to the experimental data was Midilli. The coefficients a, b and k were considered to be dependent on the drying air temperature while the coefficient n was dependent on the time factors of ozone application and drying air temperature. Ozone gas demonstrated efficiency in fungal decontamination through microbiological effects and the temperature of 50 °C showed the best results. The time of five minutes of ozone application and the air temperature of 30 °C for drying showed a higher number of germinated seeds. / No Brasil, a soja é considerada um dos principais produtos agrícolas, todavia, com a expansão da agricultura, surgiram novas doenças fitossanitárias. Assim, um armazenamento inadequado pode provocar o crescimento de insetos e microrganismos bem como promover a deterioração do produto. Atualmente, o gás ozônio está entre os produtos em estudo para a desinfecção de fungos, o qual é formado por três moléculas de oxigênio (O3) e seu produto final é o oxigênio. Além disso, o O3 é considerado seguro pela indústria alimentícia. Assim, os objetivos deste estudo foram avaliar tanto os efeitos do gás ozônio durante a secagem no que tange à qualidade fisiológica e físico-química, como a eficiência na descontaminação fúngica e determinar a modelagem das curvas de secagem para as sementes de soja. Para este estudo, foram usadas as sementes da cultivar NK 7059 (V-máx RR), produzidas na região de Medianeira – PR, da safra de 2016 com 20,18% B.U. Foi usado um planejamento fatorial 22 com ponto central, com tempos (5,10 e 15 minutos) e temperatura (30, 40 e 50 °C). O modelo matemático que apresentou o melhor ajuste aos dados experimentais foi a Midilli. Os coeficientes a, b e k foram considerados como dependentes da temperatura do ar de secagem enquanto o coeficiente n foi dependente dos fatores tempo de aplicação do ozônio e temperatura do ar de secagem. O gás ozônio demonstrou eficiência na descontaminação fúngica através dos efeitos microbiológicos e a temperatura de 50 °C apresentou os melhores resultados. O tempo de cinco minutos de aplicação do ozônio e a temperatura do ar de 30 °C para a secagem apresentaram maior número de sementes germinadas.

Prever a hidrodinâmica das águas e a dispersão de contaminantes nos corpos dágua, principalmente em regiões costeiras, tem sido um problema a ser enfrentado por engenheiros, devido ao aumento dos impactos ambientais que envolvem as obras e a gestão da engenharia costeira. O uso de modelagem matemática como ferramenta de avaliação tornou-se imperativo para tais estudos. O principal objetivo desta Tese é fazer uma análise crítica da utilização da ferramenta de modelagem matemática na avaliação da dispersão de efluentes leves. A área de estudo engloba a RMBS, com ênfase no Sistema Estuarino de Santos / São Vicente. Para a efetivação desta análise são utilizados três modelos hidrodinâmicos - MIKE 21, POM e Delft3D. Esta abordagem apresentou significativa contribuição para as principais conclusões desta Tese e demonstrou, na prática, as diferenças na utilização dos modelos numéricos hidrodinâmicos. Os resultados dos três modelos utilizados apresentaram-se satisfatórios, sendo que os coeficientes de correlação encontrados, entre os resultados das simulações e dados de medição de campo, para o período de Verão de 2002 foram para o MIKE 21 de 0,63 (considerado 20 dias de processamento); o Delft3D de 0,80 (20 dias) e o POM de 0,70 (30 dias), para a Componente x (Componente E-W do vetor velocidade). Os resultados da modelagem com o POM e o Delft3D, comparados com os dados de medição de campo, imprimiram confiabilidade aos dados de correntes extraídos para o Ponto de Lançamento do Emissário de Santos/São Vicente. Neste ponto a máxima velocidade encontrada, na média da profundidade, foi de 0,27 m/s e, somente na superfície esta velocidade pode chegar a 0,35 m/s. Para a avaliação da dispersão da pluma deste emissário, foi utilizado o sistema especialista CORMIX e seus resultados mostraram que para velocidades de 0,27 e 0,18 m/s as diluições iniciais são superiores a 100 e que nas velocidades 0,08 e 0,12 m/s a diluição inicial é menor que 100. Julga-se que este trabalho contribuiu para a obtenção de um grau maior de conhecimento sobre as questões práticas da modelagem hidrodinâmica. Ou seja, esta contribuição é um passo fundamental para que o assunto seja visto de uma forma mais realista, mostrando e discutindo as características e limitações teóricas e práticas existentes em cada modelo utilizado, sob a ótica da engenharia. / The prediction of the hydrodynamic water circulation and pollutants dispersion, mainly in coastal areas, has been a problem that engineers have been facing. This is due to the increase environmental impacts that involve coastal engineering work and management. The usage of mathematic modeling as assessment tool is necessary for these studies. The main purpose of this Thesis consists in using hydrodynamics models in order to evaluate the hydrodynamical behavior in the region, and to study the effluents dispersion by approaching the marines pollution issue mainly concerning domestic wastewater, and petroleum byproducts leakage. The study area is located in the Central Coast of São Paulo State, named Baixada Santista. The highlighted area analyzed is Santos / São Vicente Estuarine System. Three hydrodynamics models were used - MIKE 21, POM and Delft3D. This approach presented a significant contribution for the main conclusions of this Thesis, and it shows the differences among the hydrodynamics mathematical models. The three models presented good results, the correlation coefficients that were found for the Summer of 2002 were 0.63 for MIKE 21 (considering 20 days of processing); 0.80 for Delft3D (20 days); and 0.70 for POM (30 days), for Component x (Component E-W of velocity vector). In the Point of Santos / São Vicente Outfall Discharge, the maximum depth average velocity reaches 0.27 m/s, and in first layer (surface) the velocity can reach 0.35 m/s. In the assessment of plume dispersion for this outfall, was used the software CORMIX and the results has shown initial dilution higher than 100 for the velocities of 0.27 and 0.18 m/s; and initial dilution lower than 100 for the velocities of 0.08 and 0.12 m/s. This Thesis contributed to obtain a better knowledge about hydrodynamic mathematic modeling. The research reveals a realistic point of view of the characteristics and limitations, in theoretical and practical terms, existing in each model used, from engineering perspective.

Objetivos: Estudos clássicos mostraram que, na locomoção de vertebrados, a transição entre os tipos de passada ocorre justamente quando se inicia um aumento na demanda energética. Uma vez que o movimento muscular é realizado sob controle do sistema nervoso central, é este que determina o tipo de passada a ser utilizada. Portanto, essa estrutura consegue traduzir eventos mecânicos ligados a esses conceitos e, mais do que isso, consegue operar o sistema de modo a mantê-lo num ótimo de demanda. Nossa abordagem pretende criar um mapeamento, no sistema nervoso central, das aferências e eferências de um sistema mecânico de maneira a se modelar uma rede de controle motor. Com isso, estabelece-se um modelo cânon para encontrar a região de operação que minimiza a geração de entropia no sistema mecânico. Métodos: Modelos matemáticos para o funcionamento de músculos esqueléticos e tendões, acoplados em um sistema pendular e suas aferências, fusos e corpos tendinosos de Golgi, foram desenvolvidos e validados como plataforma biomecânica. Essas aferências foram então utilizadas como entradas para outro modelo descrevendo Redes Neurais Biológicas (BNNs, do inglês), o qual gera as eferências que são, então, utilizadas como sinais de controle para acionamento dos músculos. Todos os modelos foram baseados em equações diferenciais (ODEs), e sua resolução numérica realizada em ambiente Simulink. Resultados: A rede neural de controle proposta mostrou-se capaz de operar o sistema biomecânico levando-o a oscilar de forma similar a passadas, tendo como entrada sinais das fibras tipo Ib e Ia. Medidas de otimização baseadas no cálculo da geração de entalpia nos músculos mostraram que a rede é capaz de operar a maquinaria mecânica em regiões de melhor relação geração de entalpia por velocidade ou distância percorrida. Conclusões: Os resultados teóricos desse trabalho fornecem algumas questões experimentais interessantes, como relações entre perfil de ativação muscular e escala biológica, além de embasar a visão de que existem arquiteturas neurais básicas envolvidas no controle dos processos biológicos. / Objectives: Classical studies showed that the transition among gait patterns, in vertebrate locomotion, occur when there is an increase in energetic demand. Since the muscular movement is performed under central nervous system control, it is this one that determines the gait pattern in the end. Therefore, this structure is able to translate mechanical events related to force/energy and more, it is capable to operate the whole system in such a way to put it in a demand optimum. Our approach aims to create a central nervous system mapping of the afferences and efferences present in a mechanical system to create a motor control network model, and then, find the operation range that minimizes the entropy generation of the mechanical system. Methods: Mathematical models of working skeletal muscles and tendons, linked to a pendulum system, and their a afferences (i.e., spindles and Golgi tendon organs) were developed and validated as a biomechanical platform. These afferences were used as inputs to another model describing a Biological Neural Network that generate the efferences used as inputs to muscle control. All models were explicited as differential equations and numerically solved in the Simulink environment. Results: The proposed neural network was able to control the biomechanical system, driving it to oscillate similarly to a gait, autonomously, using signals from Ib and Ia fibers as inputs. Optimization measures based in muscular enthalpy generation calculations pointed out that the network is capable to operate the biomechanical machinery in regions of best enthalpy generation by velocity or distance relations. Conclusions: The theoretical results of this work present some interesting experimental questions about possible relations between muscle activation patterns and biological scaling. It also gives support to the idea that exist some basic neural architecture involved in the control of biological mechanical processes in vertebrates.

Tanto as evidências experimentais que demonstraram a geração endógena de ritmos com períodos circadianos, quanto as investigações sobre os diferentes mecanismos de sincronização dos ritmos circadianos aos marcadores temporais externos de períodos fixos de 24h forneceram material para a elaboração de proposições importantes sobre as características do sistema de temporização biológica circadiana. Dentro desse cenário, foi de muita ajuda a aplicação da modelagem matemática. O desenvolvimento desses modelos permitiu a investigação de conjecturas que tentam explicar as características subjacentes aos mecanismos que coordenam esse sistema. Nosso objetivo, neste trabalho, foi de explorar a hipótese de que o mecanismo de controle da ritmicidade circadiana é exercido pela ação de laços de retroalimentação negativa acionados após tempos de retardo característicos do sistema. Para alcançarmos esse objetivo, elaboramos um modelo no qual o controle e a manutenção da expressão rítmica circadiana fossem conseqüentes da ação de dois laços de retroalimentação negativa com tempos de retardo distintos. Adicionalmente, avaliamos a resposta do modelo à ação de oscilações externas. Por meio da dinâmica não-linear resultante do modelo, nós observamos sugestiva similaridade entre as respostas obtidas nas simulações e as descrições experimentais da expressão do sistema de temporização circadiana citadas na literatura. Esses resultados deram suporte a hipótese inicial como explicação do funcionamento do sistema. / Both the experimental evidences of generation of biological circadian rhythms and the results of investigation about the mechanisms of synchronization between the circadian rhythms with the external cycles of 24-hour period provided material for the development of important assumptions about the characteristics of the circadian timing system. Inside this scenery, it was helpful the application of mathematical models. The development of these models permited the inquiry of some hypotheses which try to explain the underlying characteristics of this system. Our aim, in this work, was to investigate the hypothesis that explain the controlling mechanism of the circadian system as a result of the action of negative feedback loops triggered after charateristic time delays. For reaching this goal, our porpouse was to build a mathematical model which simulated circadian rhythmic expressions controlled by two feedback loops with different time delays. Additionaly, we also simulated the response of the model under external oscillations. Through the non-linear dynamic resulting from the model we observed suggestive similarity between the simulations and the experimental descriptions of the circadian system expressions present in many works. These results gave support to the validation of the initial hypothesis.

As redes poliméricas são materiais amplamente estudados, pois suas propriedades especiais permitem que sejam aplicadas em áreas como indústria de fertilizantes, medicina, bioquímica, análises químicas dentre outras. A microestrutura de uma rede polimérica, em geral, exerce grande influência sobre as propriedades macroscópicas desses materiais e o interesse da influência dessa microestrutura nas propriedades finais são de interesse estratégico. As reações de ciclização influenciam no controle da microestrutura das redes poliméricas, é sabido que um aumento na diluição do sistema aumenta a incidência deste tipo de reações. A modelagem matemática da copolimerização do estireno-divinilbenzeno é um assunto amplamente estudado, porém poucos estudos foram realizados considerando as reações de ciclização com uma cinética definida e não um problema tipo caixa-preta. Este trabalho teve como principal objetivo o estudo da copolimerização de estireno-divinilbenzeno em solução e sua modelagem matemática com a inclusão das reações de ciclização intramoleculares. Sendo assim, reações de copolimerização de estireno-divinilbenzeno em soluções com baixas concentrações de monômeros foram realizadas em batelada em um reator de vidro, inicialmente foram utilizados dois modelos matemáticos para estudar o comportamento do sistema nestas condições, denominados: Modelo A e Modelo B. O Modelo A foi desenvolvido através do balanço de massa de todas as espécies no meio reacional e inclusão das reações de ciclização. O tamanho máximo dos polímeros mortos considerados neste modelo foi de 300 unidades monoméricas, pois devido à diluição acreditava-se que este tamanho máximo abrangesse todos os tamanhos de polímeros mortos, porém sua comparação com dados experimentais mostrou o contrário. O Modelo B foi baseado no modelo desenvolvido por Aguiar (2013) e utiliza o balanço de massa para as espécies não poliméricas e método dos momentos para as espécies poliméricas (radicais poliméricos e polímeros mortos). Este modelo utiliza também o Fracionamento Numérico para determinação das massas moleculares e ponto de gel, as reações de ciclização foram incluídas através do Método dos Caminhos. Quando comparados aos dados experimentais, o Modelo B mostrou-se mais realista com menores tempos de simulação e com menores problemas numéricos que o Modelo A, portanto este foi utilizado para o estudo do sistema em questão. Os resultados apresentados através do Modelo B indicam que o parâmetro atribuído à cinética das ligações cruzadas (Cp) foi de 0,05 e o valor do parâmetro de ciclização do menor segmento ciclizável (3 unidades monoméricas) foi de 130 s-1 para a temperatura de 90ºC, os valores para os demais tamanhos foram calculados através da equação de Rolfes e Stepto. Este trabalho é uma continuação ao trabalho de Aguiar (2013) e seus resultados mostraram que as simulações das variáveis: concentração de duplas ligações pendentes, Massa Molecular Mássica Média (Mw) e polidispersidade aproximaram-se mais dos dados experimentais quando as ciclizações são incluídas no modelo quando comparadas à abordagem sem a inclusão das reações de ciclização. / Polymer networks are widely studied materials; their especial properties allow them to be applied in areas such as the fertilizer industry, medicine, biochemistry, chemical analysis among others. In general, the polymer network microstructure has influence in macroscopic properties of materials, hence the interest of such microstructure in final properties are of strategic interest. The cyclization reactions influence in the microstructure control of polymer networks. It is known that an increase in systems dilution can increase the cyclization reactions incidence. Mathematical modeling of copolymerization of styrene-divinylbenzene is a widely studied subject, but few studies have been conducted considering the cyclization reactions with a defined kinetic and not a problem black-box type. This work aimed to study the styrene-divinylbenzene copolymerization solutions and their mathematical modeling with the inclusion of intramolecular cyclization reactions. Thus, solution copolymerization of styrene and divinylbenzene was carried out at low concentration of monomers in batch reactor. Two mathematical models were initially used to analize the behavior of the system, which were called: Model A and Model B. The Model A was developed by molar balance of species in the reaction medium and includes cyclization reactions, which were considered to happen in polymer chains with 300 or less monomer units. Due the dilution was believed that this number of units covering all sizes of dead polymers, but comparison between Model A an experimental data proved otherwise. The Model B was based in model of Aguiar (2013), and uses the mass balance for non-polimerics species and moments methods for polimerics species. Model B also uses numerical fractionation for average molecular weight and gel point determination, and the method of paths to approach cyclization reactions. When compared to experimental data, Model B proved more realistic, presenting shorter simulation times and less numerical problems than Model A. Therefore Model B was chosen to represent the system. The results presented by Model B indicate that the parameter assigned to the kinetics os crosslink (Cp) was fitted at 0,05 and cyclization rate constant for paths with 3 monomer units was fitted 130 s-1 at temperature of 90°C. The cyclization rate constants for longer paths were calculated trough Rolfes and Steptos equation. This work is a follow up to Aguiars work (2013) and the results showed that the simulation of variables: concentration of pendant double bonds, average molecular weight and polidispersity better predicted when the cyclization rate constants are greater than zero.

Este trabalho visa a utilização de técnicas de otimização para a determinação da melhor configuração para trocadores de calor a placas. A configuração de um trocador a placas define a distribuição das correntes quente e fria ao longo dos seus canais e ela é definida pelo seu número de canais, pelos números de passes em cada lado e pelas localizações dos fluidos e das conexões de alimentação. É utilizado um conjunto de seis parâmetros para a caracterização da configuração. A modelagem estacionária do trocador é desenvolvida na forma de um algoritmo, já que não é possível representá-la como uma função explícita dos seis parâmetros de configuração. O sistema resultante é composto por equações diferenciais ordinárias de valor de contorno e por equações algébricas não-lineares, o qual é resolvido numericamente pelo método de diferenças finitas. Através do estudo de exemplos de simulação, verifica-se que a hipótese de constância do coeficiente global de troca térmica não é limitante para a avaliação global do trocador. A validação experimental da modelagem estacionária é realizada através da estimação de parâmetros de troca térmica para um conjunto de ensaios com diferentes configurações. É ainda apresentada a modelagem dinâmica do trocador a placas para configurações genéricas, visando a análise do seu estado transiente e a simulação de malhas de controle. É proposto um procedimento de screening para a resolução do problema de otimização da configuração do trocador. Neste procedimento, as restrições são aplicadas sucessivamente para a eliminação de elementos inviáveis ou não-ótimos. Através da identificação de configurações equivalentes e da realização de uma busca estruturada, todos os trocadores com a menor área de troca térmica podem ser obtidos com esforço computacional bastante reduzido. O funcionamento e a eficiência do método são analisados em detalhes através de dois casos de otimização. Para o caso dos processos de pasteurização, que usam trocadores com múltiplas seções, é proposto o método de branching para otimização da configuração das seções de aquecimento, resfriamento e regeneração. Este método consiste em um algoritmo de busca muito eficiente, capaz de localizar as configurações que apresentam mínimos custos fixos e operacionais realizando um número extremamente reduzido de avaliações das seções do trocador, em relação às grandes dimensões do problema e sua complexidade. / The aim of this work is to develop optimization techniques for determining the best configuration of gasketed plate heat exchangers. The configuration of a plate heat exchanger defines the distribution of the hot and cold streams inside the plate-pack and it is defined by the number of channels, by the number of passes in each side and by the locations of the fluids and feed connections. A set of six parameters is used for the configuration characterization. The steady-state model of the plate heat exchanger is formulated in an algorithmic form, since it is not possible to represent it explicitly as a function of the six configuration parameters. The resulting system is composed of ordinary differential equations of the boundary value type and non-linear algebraic equations, which is numerically solved with the method of finite differences. The analysis of several simulation examples showed that the assumption of constant overall heat transfer coefficient is not limiting for the overall rating of the heat exchanger. The experimental validation of the steady-state model was accomplished through the estimation of heat transfer parameters for a set of experiments with different configurations. Moreover, the dynamic modeling of the plate heat exchanger is presented intending the simulation of unsteady-state operation and the use of controllers. A screening procedure is proposed for determining the best configuration of the exchanger. In this procedure, the constraints are successively used to eliminate unfeasible and non-optimal cases. Using a structured search method and identifying the equivalent configurations, all the exchangers with the smallest heat exchange area can be obtained employing the proposed method with very reduced computational effort. The performance of the method is studied thoroughly through two optimization example problems. For the case of the pasteurization processes, where the plate heat exchangers have multiple sections, it is proposed a branching method for selecting the best configuration for the heating, cooling and regeneration sections. This method consists of a very efficient search algorithm, able to locate the configurations with minimum fixed and operational costs requiring an extremely reduced number of exchanger evaluations, considering the large dimensions of the problem and its complexity.

Na atualidade, o mundo enfrenta graves problemas de escassez de água decorrentes, principalmente, da degradação da sua qualidade. O conhecimento e a avaliação da qualidade da água são essenciais para o adequado gerenciamento dos recursos hídricos, portanto a água cumpre função de informação, servindo de indicador para o estágio de conservação ou de degradação de um corpo d\'água. O principal objetivo do presente estudo foi avaliar a qualidade da água de uma bacia urbana localizada na cidade de São Carlos, SP, em termos experimentais e de modelagem matemática, aplicando conceitos ecohidrológicos. Esta avaliação realizou-se por meio da análise de resultados experimentais obtidos em campo, através de quatro campanhas de amostragens de água realizadas em períodos secos (7 de novembro de 2008) e chuvoso ( dias 11, 17 e 18 de março de 2009), estabelecendo para cada campanha três pontos de coletas, uma localizada na bacia do córrego Gregório de 17,3 \'Km POT.2\', e as outras duas ao longo do córrego Monjolinho de 78 \'Km POT.2\'. Foram discutidos os resultados de parâmetros físico-químicos (pH, OD, turbidez, CE, DQO, DBO, fosfato, nitrogênio total, nitrato, nitrito e sólidos totais), biológicos (coliformes termotolerantes e totais) e metais (zinco, chumbo, cádmio, níquel, ferro, manganês, cobre e cromo) presentes na água, bem como foram analisados os efeitos das variações do nível da água e vazão nas características limnológicas dos corpos de água. Os resultados experimentais foram expressos tanto em termos de concentração (mg/L) como de carga específica (kg/ano.ha) a fim de se analisar a variação espacial da concentração e a carga em termos da área de drenagem acumulada e comprimento do rio. Abordou-se uma discussão ecohidrológica realizada com base em análise de quatro dimensões de variáveis: altura hidrométrica, vazão específica, índice de vulnerabilidade e cargas específicas de alguns parâmetros limnológicos. Finalmente, e a fim de avaliar aspectos quali-quantitativos da água para uma bacia urbana através da modelagem matemática, foi utilizado o modelo SWMM. Os resultados experimentais obtidos mostraram que existe extrema variabilidade quantitativa e qualitativa da água, devida principalmente a fatores antropogênicos de poluição, seja pela dinâmica variada de produção de resíduos que são lançados ao ar e à água, seja pela destruição de mecanismos naturais de regulação pela ocupação desordenada do espaço, além de se constatar que as variações do nível da água provocam uma série de transformações nas características limnológicas dos corpos de água causadas por interações entre o meio terrestre e o aquático. Constatou-se a aplicabilidade quali-quantitativa do modelo matemático utilizado, para uma bacia urbana, por meio da calibração dos hidrogramas simulados com hidrogramas observados, e a obtenção de resultados de concentrações de OD, fosfato, sólidos totais, DQO e DBO presentes na água do rio. / Today, the world faces serious problems of water scarcity due mainly to the degradation of its quality. Knowledge and assessment of water quality are essential for proper management of water resources, so the water acts as information function, serving as an indicator of the stage of conservation or degradation of a body of water. The main purpose of this study was to evaluate the water quality of an urban basin located in Sao Carlos city, Brazil, in terms of experimental and mathematical modeling, applying concepts of Ecohydrology. This assessment was carried out by the analysis of experimental results obtained in field works, through four sampling campaigns of water realized in a drought period (November 7,2008) and rainy periods (11, 17 and March 18,2009) establishing for each sampling campaign three points, one located in the basin of the stream Gregory of 17,3 \'KM POT.2\', and the other two along the stream Monjolinho of 78 \'KM POT.2\'. The results of physical and chemical parameters (pH, DO, turbidity, EC, COD, BOD, phosphate, total nitrogen, nitrate, nitrite and total solids), biological (fecal and total coliform) and metals (zinc, lead, cadmium, nickel, iron, manganese, copper and chromium) in the water, were discussed and analyzed the effect of water level variations and flow in limnological characteristics of water bodies. The experimental results were expressed in terms of concentration (mg/L) as the specific load (kg/year.ha) to analyze the spatial variation of the concentration and the load in terms of cumulative drainage area and river length. lt was approached an Ecohydrology discussion based on analysis of four variable dimensions: hydrometric height, flow specific vulnerability index and specific loads of some limnological parameters. Finally, in order to validate the quali-quantitative aspects of the water for an urban basin through a mathematical model, we used the mathematical model SWMM. The experimental results showed that there is an extreme variability in quantity and quality of the water, primarily due to anthropogenic pollution factors, either for the dynamic range of waste that are thrown into the air and water, or the destruction of the natural mechanisms of regulation by disordered occupation of the space, and besides evidencing that the variations of the changes in water level cause a series of transformations in limnological characteristics of the bodies watermark caused by interactions between the terrestrial and aquatic environments. lt was evidenced the quali-quantitative applicability of the mathematical model used, for an urban basin, through the calibration of the simulated hidrograms with observed hidrograms, and the obtained results of DO, phosphate, total solids, COD and BOD concentrations presents in the water of the river.

Orientadores: Francisco Maugeri Filho, Daniel Ibraim Pires Atala / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-26T00:40:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Farias_Daniele_D.pdf: 6531706 bytes, checksum: 72d6eac9b0705d092d687f0e643efe07 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A produção biotecnológica de etanol de segunda geração (2G) mediante o cultivo de Scheffersomyces stipitis a partir de pentoses de hidrolisados hemicelulósicos de resíduos agroindustriais é de grande interesse econômico. Isso porque esse processo pode agregar valor a estes resíduos, possibilitando substituir os combustíveis fósseis, além de promover um aproveitamento mais completo dos materiais. Somando-se a isso, a utilização de meios fermentativos com alta concentração de substrato é de grande interesse para a indústria, pois diminui de forma significativa o volume das dornas e da vinhaça. As grandes quantidades de etanol no meio consomem menos energia no processo de extração. Porém, esta alta concentração de etanol inibe o processo, surgindo necessidade do mesmo ser retirado do meio enquanto é produzido. A utilização de técnicas de extração melhora o desempenho do processo. O uso do evaporador flash possibilita usar altas concentrações de açúcares, o que tem como consequência maior produção de etanol, reduzindo o custo da destilação. Diante disto, o objetivo dest trabalho foi o de desenvolver uma tecnologia alternativa para transpor os gargalos hoje existentes na produção de etanol 2G a partir de pentoses através de um processo fermentativo com retenção de células, acoplado a um evaporador a vácuo tipo flash. O protótipo proposto possibilitou investigar a produção de etanol a partir de xiloses, em processo utilizando alta concentração celular de S. stipitis. A razão do emprego desta tecnologia se deve à baixa tolerância do micro-organismo ao etanol e à baixa produtividade. Inicialmente foram realizados estudos visando investigar os efeitos inibitórios da concentração de etanol e de substrato no comportamento cinético da linhagem S. stipitis. Para tal, foram realizados experimentos no modo batelada e contínuo, com concentração de substrato variando na faixa de 7,5 a 145 g.L-1. Os resultados comprovaram o forte efeito inibitório sobre a velocidade específica de crescimento celular, de consumo de substrato e de etanol produzido quando administradas elevadas concentrações de substrato, bem como quando acumulados altas concentrações de etanol. Com base nestes dados foi desenvolvido um modelo matemático misto, o qual combina os modelos de Andrews e Levenspiel para descrever os efeitos inibitórios da concentração de substrato e etanol, respectivamente. O modelo cinético foi capaz de descrever satisfatoriamente o perfil cinético dos dados experimentais.. Fez-se uma análise de sensibilidade paramétrica através do auxílio de um planejamento Plackett-Burman usando o software Statistica, variando os parâmetros cinéticos e avaliando o efeito desta variação nos perfis de concentração celular, substrato e etanol. Os parâmetros idenficados como mais relevantes do modelo foram ?max, Pmax, Yx, n e Yp/x, os quais foram escolhidos para serem re-estimados sempre que houverem mudanças nas condições operacionais. Com intuito de aprimorar a produção de etanol pela linhagem S. stipitis, realizaram-se experimentos no modo batelada alimentada. Esta estratégia é utilizada para evitar a repressão catabólica do micro-organismo, bem como para assegurar uma alimentação ótima de substrato no reator. Operar o sistema com esta estratégia resultou em elevados rendimentos e produtividades para este tipo de processo. A máxima concentração de etanol obtida foi de 46 g.L-1, obtidas para concentração de xilose no meio de alimentação de 200 g.L-1. O rendimento e a produtividade foram 1.1 e 2.3 vezes superiores do que quando operados experimentos no modo batelada simples. Por fim, para testar a operacionalidade da tecnologia desenvolvida foram realizados experimentos com o intuito de avaliar a eficiência do `retentostato extrativo a vácuo¿. O efeito tóxico promovido pelo etanol em altas concentrações foi minimizado pela extração intermitente em tanque flash operado a vácuo. Esta estratégia permitiu manter uma baixa concentração de etanol no meio fermentativo (~25-35 g.L-1) e uma concentração alcóolica no condensador de 40 °GL. A máxima produtividade em etanol obtida o sistema desenvolvido foi de 1 g.L-1.h-1, obtido com 100 g.L-1 de xilose no meio de alimentação, valor este 4.35 vezes maior quando comparado aos cultivos no modo batelada simples. A tecnologia proposta aqui pode contribuir para aprimorar futuras pesquisas na produção de etanol 2G por meio do desenvolvimento de processos de baixo custo em escala industrial / Abstract: The biotechnological production of second generation ethanol (2G) through the cultivation of Scheffesomyces stipitis on pentoses obtained from hemicellulose hydrolyzates of agro-industrial wastes is of great economic interest. This is because, this process can add value to these wastes, replace fossil fuels, and promote a complete recovery of materials. Adding to this, the use of fermentation media with high concentration of substrate is of great interest to industry because it reduces significantly the volume of reactors and vinasse. Large amounts of ethanol in the culture medium consume less energy in the extraction process. However, this high concentration of ethanol inhibits the process, so its remotion during fermentation is advisable. The use of extraction techniques improves the performance of the process. The use of flash evaporator allows the use of high concentrations sugars, which results in increased production of ethanol, reducing the cost of distillation. Facing this, the objective of this study is to develop an alternative technology to bridge the currently existing bottlenecks in the production of 2G ethanol from pentoses through a fermentatiton process with cell retention, coupled to a vaccum evaporator type flash. With the proposed prototype, ethanol production from xyloses was studied in a process utilizing high cell concentration of S. stipitis. The reason for the use of this technology is due to the low tolerance of this strain to ethanol as well as the low productivity. Initial studies were conducted in order to investigate the inhibitory effects of ethanol and substrate concentrations in the kinetic behavior of the strain S. stipitis. To promote this, experiments were performed in batch and continuous mode, with substrate concentration ranging from 7.5 to 145 g.L-1. The results showed a strong inhibitory effect promoted on the specific growth rate, substrate consumption and ethanol production when high initial substrate concentrations were administered, leading to high concentrations of ethanol. Based on these experimental data, a mixed mathematical model that combines models of Andrews and Levenspiel to describe the inhibitory effect prmoted by substrate and ethanol concentrations, respectively, has been proposed. The kinetic model was able to satisfactorily describe the kinetic profile of the experimental data. However, mathematical modeling of kinetic parameters is a difficult task and it consumes a considerable period of time. A parametric sensitivity analysis was performed with the aid of a Plackett-Burman design using the Statistic software. The kinetic parameters were varied and the effect of this variation was evaluated in the cell, substrate and ethanol concentration profiles. The most relevant model parameters were ?max, Pmax, Yx, n and Yp/x, which were chosen to be re-estimated whenever there are changes in the operation conditions. In order to enhance the 2G ethanol production by strain S. stipitis, experiments were performed in fed-batch mode. This strategy was used to avoid the catabolic repression of this strain as well as to ensure optimal substrate feeding to the reactor. The operate of the system whit this strategy resulted in high concentrations of ethanol with high yields and productivities. The maximum ethanol concentration achivied was 46 g.L-1 obtained for xylose concentration in the feed medium of 200 g.L-1. The yield and productivity were 1.1 and 2.3 times higher than when operated in the batch mode. Finally, experiments were conducted to test the effectiveness of the technology developed in order to evaluate the efficiency of `extractive retentostato vacuum¿. The toxic effect caused by high ethanol concentrations was minimized by intermittent extraction in the flash tank operated on vacuum. This strategy allowed maintaining a low concentration of ethanol in the fermentation medium (~25 ¿ 35 g.L-1) and an alcohol concentration in the condenser at 40°GL. The maximum ethanol productivity obtained was 1 g.L 1.h-1, obtained with 100 g.L-1 of xylose in the feed medium, and this value was 4.35 times higher compared with experiments performed in bacth mode. The technology proposed here may contribute to enhance future research in 2G ethanol production through the development of processes for low cost industrial scale / Doutorado / Engenharia de Alimentos / Doutora em Engenharia de Alimentos

Orientadores: Julian Martínez, Camila Alves de Rezende / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-23T08:06:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_Philipedos_M.pdf: 4512322 bytes, checksum: 66583cf01fbd52620fb21be1cc00b5fc (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A tecnologia de extração com fluido supercrítico surgiu como uma alternativa frente aos métodos tradicionais de extração e fracionamento de compostos ativos. Geralmente, uma unidade de extração com fluido supercrítico tem sua capacidade extrativa alterada com a utilização de técnicas em conjunto, como por exemplo, o emprego de diferentes cossolventes e a utilização de ondas ultrassônicas. A técnica de ultrassom baseia-se na formação de ondas ultrassônicas de alta frequência, capazes de provocar cavitação e causar ruptura na parede celular da matriz vegetal. Isto favorece a penetração do solvente e a transferência de massa e, consequentemente, o aumento do rendimento de extrato. O objetivo do presente trabalho foi obter extratos de pimenta malagueta através da utilização do processo de extração com fluido supercrítico (SFE) assistido por ultrassom. A matéria-prima utilizada foi a pimenta malagueta desidratada (5% em b.u.) e triturada. Para estudar a influencia das ondas ultrassônicas na taxa de extração, foram realizadas extrações com e sem ultrassom, nas potências e tempos de radiação variando de 150 a 360 W e 60 a 280 minutos, respectivamente. As condições de temperatura e pressão do dióxido de carbono supercrítico foram 40 ± 3 °C e 15 ± 0,5 MPa, respectivamente. A vazão mássica de CO2 foi fixada em 0,5 ± 0,1 kg/h. As cinéticas de extração foram realizadas na melhor condição de ultrassom em diferentes diâmetros de partícula. Os resultados obtidos indicaram um aumento de 77% no rendimento de extrato quando aplicadas ondas ultrassônicas. Não foi verificada influência significativa da aplicação de ondas ultrassônicas sobre o perfil de capsaicinoides e fenólicos totais. A melhor condição de extração assistida por ultrassom foi a 360 W de potência durante 60 minutos. Verificou-se uma influência do ultrassom sobre a taxa de extração, bem como nos coeficientes de transferência de massa na fase fluída e na fase sólida. O modelo de Sovová (1994) mostrou-se adequado para predizer as cinéticas de extração, porém os valores de rendimento global ( ), obtidos em experimentos assistidos por ultrassom, devem ser utilizados. As imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura com fonte de emissão de campo (FESEM) demonstraram uma perturbação na matriz vegetal quando se aplicou ondas ultrassônicas / Abstract: The supercritical fluid extraction technology came as an alternative to traditional methods of extraction and fractionation of active compounds. The capacity of a supercritical fluid extraction unit is changed with the application of combined techniques, for example, using different co-solvents and ultrasonic waves. The ultrasonic technology is based on high frequency ultrasonic waves formation capable of causing cavitations and disrupting the cell walls of vegetable matrix, favoring the penetration of solvent and enhancing mass transfer, thus increasing the extraction yield. The objective of this study was to obtain extracts of malagueta pepper (Capsicum frutescens L.) using supercritical fluid extraction (SFE) assisted by ultrasound. The raw material used was dried (5% w. b.) and triturated malagueta pepper. To study the influence of ultrasonic waves in the extraction rate, SFE experiments were performed with and without ultrasound, with powers and irradiations times from 150 to 360 W, and from 60 to 280 minutes, respectively. The conditions of temperature and pressure of supercritical carbon dioxide were 40 ± 3°C and 15 ± 0.5 MPa, respectively. The CO2 mass flow rate was fixed at 0.5 ± 0.1 kg/h. The extraction kinetics was performed in the best conditions of ultrasonic power ultrasonic in different particle diameters. The results indicated that the yield of oleoresin increased 77% when ultrasound waves were applied. The influence of the application of ultrasonic waves was not significant in the capsaicinoids and phenolics profiles. The best ultrasound-assisted extraction conditions were at 360 W (power) for 60 minutes (irradiation). The effect of ultrasound was verified on extraction rate and the solid and fluid phase mass transfer coefficient. The Sovová (1994) model was adequate to predict the extraction kinetics, but overall extraction yield values obtained in experiments assisted by ultrasound must be used. The images obtained by field emission scanning electron microscopy (FESEM) showed a disturbance in the vegetable matrix when ultrasound waves were applied / Mestrado / Engenharia de Alimentos / Mestre em Engenharia de Alimentos