Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os polifenóis são componentes intrínsecos do cacau, e assim, produtos derivados do cacau, como o chocolate, podem ser considerados como alimento funcional por conferirem efeitos benéficos à saúde do consumidor, como é sugerido para o vinho tinto e o chá verde ou preto. Devido à evidência de que os polifenóis podem agir como potenciais antioxidantes, desempenhar uma importante função na redução do risco ou retardo do desenvolvimento de doenças, como as cardiovasculares, câncer e outras relacionadas à idade; e ainda, modular processos biológicos essenciais em mamíferos in vivo; as áreas de nutrição e medicina têm tido um especial interesse nestes compostos. O principal objetivo deste trabalho foi avaliar novas fases estacionárias para isolamento de polifenóis, através do uso da espuma de poliuretano e de resina polimérica (XAD-16) e determinar a fase de maior eficiência, comparando-se os dados obtidos com aqueles descritos na literatura (C18). O monitoramento da eficiência do processo foi feito por cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC), cujos dados permitiram estabelecer um índice que mede a relação P/C, como sendo a relação entre o maior pico do polifenol e o maior pico do carboidrato, expressos através de suas alturas ou absorbâncias (mAU). A resina XAD-16 se mostrou como a fase de maior eficiência e foi usada para isolar os polifenóis presentes em amostras de chocolate. Foi alcançada uma significativa separação dos polifenóis com reprodutibilidade comprovada através dos experimentos em triplicata. Nesta fase estacionária, a água se apresentou como um eluente adequado para carboidratos, enquanto o metanol foi eficaz na eluição dos polifenóis, pois foram obtidas frações cujos cromatogramas permitiram calcular razões P/C muito maiores que 100%, mesmo diante de teores muito pequenos de polifenóis.

Orientador: Roberto da Silva / Banca: Crispin Humberto Garcia Cruz / Banca: Aneli de Melo Barbosa / Resumo: O uso de células microbianas imobilizadas para aumentar a produção de metabólitos fúngicos em processos fermentativos tem mostrado altos rendimentos. Nesse trabalho foi avaliado pela primeira vez, a imobilização de células do Botryosphaeria rhodina, um fungo ligninolitico produtor constitutivo de lacases. Três suportes foram avaliados: Fibra Acrílica Fina (FAF); Espuma de Poliuretano Expandido (EPE); Espuma de Poliuretano Fibroso (EPF). O EPF foi o melhor suporte por ter mostrado uma imobilização mais homogenia das células. Um planejamento fatorial foi desenvolvido para otimizar a produção de lacases por células livres, na presença de álcool veratrílico (AV). A análise da superfície de resposta mostrou que 18mM como a melhor concentração de AV para a produção de lacases, usando-se 3 mL de homogeinato de células como inóculo (DOλ400nm 0.4-0.6) para 25 mL de meio de cultura em frascos de 125mL, a 180 rmp, durante 126 horas a 28ºC. O perfil de crescimento do fungo, associado a produção de lacase foram comparados na presença e na ausência de AV, usando-se células livres e células imobilizadas do B. rhodina. A imobilização aumentou aproximadamente 3 vezes a produção de lacases e manteve estável o nível de produção durante 6 reciclos. A imobilização de células do B. rhodina mostrou-se útil uma vez que economizou 72horas para atingir a maior produção de lacase, quando comparada com células livres e também aumentou a tolerância do fungo a concentrações mais altas de AV (500mM) / Abstract: The use of microbial immobilized cells to increase the production of fungal metabolites in fermentation processes has showed higher yields. This work evaluated by the first time, the immobilization of Botryosphaeria rhodina cells, a ligninolytic fungus that produces laccase. Three carriers were evaluated: acrylic fine fiber (FAF), expanded polyurethane foam (EPE), and fiber polyurethane foam (EPF). The EPF was the best carrier because showed a homogeneous immobilization cells. A factorial design was developed in order to optimize the laccase production by free cells in the presence of the laccase inducer veratryl alcohol (VA). The analysis by response surface answer showed 18 mM as the best VA concentration to produce laccase using 3 mL of a cell homogenate (ODλ400nm 0.4-0.6) as inoculum, to 25 mL of culture medium in shaked flasks (125 mL) at 180 rpm, during 126 hours at 28 °C. A growth profile for laccase and fungal biomass production were compared with and without VA using free and immobilized cells of B. rhodina. The cell immobilization increased approximately 3 folds the laccase production and maintained it stable during 6 consecutive recycles. The cell immobilization of B. rhodina showed to be useful once saved 72 hours to achieve the higher laccase production when compared to the one with free cells, and also increased the fungal cell tolerance at higher VA concentrations (500 mM) / Mestre

Questões ligadas ao desempenho térmico e acústico de edificações têm sido cada vez mais abordadas, num cenário em que ganham importância a economia de energia e o controle do ruído. O advento dos materiais compósitos propiciou o emprego de resíduos de processos que, aliados a materiais de origem renovável, contribuem para a obtenção de produtos de reduzido impacto ambiental. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo a produção e caracterização de painéis de partículas e espuma poliuretana à base de óleo de mamona, para destinação em composições termoacústicas. Os painéis de partículas foram produzidos utilizando-se resíduos de madeira de Pinus sp., tratado com CCB (preservante de cromo, cobre e boro - base óxido), borracha de pneus inservíveis e adesivo poliuretano à base de óleo de mamona. Foram adotadas variações na produção dos painéis, quanto aos fatores: proporção e configuração da borracha, espessura e pressão de prensagem; verificando sua influência no desempenho dos painéis. As propriedades físicas e mecânicas dos painéis foram determinadas conforme a ABNT NBR 14810-3 (2006) e avaliadas segundo os principais requisitos de normas neste âmbito. Análises estatísticas (ANOVA) foram realizadas para verificação da influência dos fatores de produção, e de suas interações, nas propriedades físicas e mecânicas dos painéis. Também foram avaliadas a morfologia e estabilidade térmica dos painéis e espumas. O isolamento térmico foi avaliado pela determinação experimental da condutividade térmica. A absorção sonora dos painéis e espumas, em diferentes montagens, foi determinada por medições em câmara reverberante, conforme ISO 354 (1985). Os resultados das propriedades físicas e mecânicas dos painéis estiveram em grande parte condizentes com os documentos normativos. O teor de borracha e a sua interação com os demais fatores apresentaram influência estatística nas propriedades físicas e mecânicas dos painéis. A morfologia dos painéis e espumas permitiu visualizar sua adequação aos produtos propostos, por meio da porosidade. Em relação ao isolamento térmico e absorção sonora, os painéis e espumas, bem como as composições formadas, apresentaram desempenho coerente com produtos e normas utilizados como referência. Sendo assim, verificou-se a viabilidade de produção e aplicação dos painéis e espuma poliuretana à base de mamona em composições destinadas ao conforto termoacústico. / Issues relating to thermal and acoustic performance of buildings have been increasingly addressed in a scenario where energy savings and noise control are essential. Advent of composite materials enabled the use of residues from production processes that, coupled with renewable source materials, contribute to obtain products with low environmental impact. So, this study aimed to the production and characterization of particleboards and castor-oil-based polyurethane foam, for thermo-acoustic compositions. Panels were produced with residues of Pinus sp., treated with CCB (chromium, copper and boron basic oxide preservative), tire rubber wastes and castor-oil-based polyurethane adhesive. Variations in the production parameters were adopted: proportion and configuration of tire rubber; panels thickness; and pressing pressure, to determine their influence on panel performance. Physical and mechanical properties of particleboards were determined based on ABNT NBR 14810-3 (2006) and evaluated according to the main requirements of standards in this area. Statistical analysis (ANOVA) was performed to check the influence of production factors, and their interactions, in those properties. Morphology and thermal stability of foams and panels were also evaluated. Thermal insulation was evaluated by experimental values of thermal conductivity. Sound absorption of the panels and foams, in different assemblies, was determined by measurement in a reverberation room, according to ISO 354 (1985). Results of evaluated panel properties were consistent with the normative requirements. The tire rubber content and its interaction with other factors influenced in almost all physical and mechanical properties of the particleboards. Morphology of the foams and panels permitted confirming their suitability to the proposed product by the porosity. With respect to thermal insulation and sound absorption, panels and foams as well as the correspondent compositions showed performance consistent to the references. Therefore, it was demonstrated the production feasibility and applying of studied compositions intended for the thermo-acoustic comfort.

O lançamento de águas residuárias contendo compostos nitrogenados tem um importante impacto sobre a saúde e o meio ambiente, tornando necessária a incorporação de processos de remoção desses compostos nos sistemas de tratamento de águas residuárias. Neste trabalho, foram estudadas as condições de operação para promover a remoção conjunta de nitrogênio e matéria orgânica em reator biológico de leito móvel, contínuo, operado sob aeração intermitente, alimentado com água residuária sintética contendo nitrogênio amoniacal (90 a 110 mg/L) e melaço como matéria orgânica (DQO de 450 a 550 mg/L). Foram utilizados dois reatores em escala de bancada, cada um com dois litros de volume útil, contendo diferentes meios suportes para a imobilização da biomassa: matrizes de espuma de poliuretano e anéis plásticos. Na primeira etapa experimental, o reator contendo anéis plásticos apresentou eficiências de remoção de nitrogênio muito baixas. Na segunda etapa, trocou-se o material suporte por matrizes de espuma de poliuretano inoculadas com lodo aeróbio de estação de tratamento de águas residuárias. A partir de então, trabalhou-se com dois reatores de mesma configuração, exceto pelas origens, idades e características dos lodos de inóculo. Inicialmente, a alimentação foi realizada utilizando-se apenas os micronutrientes contidos no melaço. Posteriormente, a composição da água residuária foi alterada, introduzindo-se solução de micronutrientes, pois se concluiu que a instabilidade no processo de nitrificação devia-se ao fato de o melaço comercial apresentar deficiências nutricionais. Como resultado, em condições de estabilidade operacional, foram obtidas eficiências de remoção de DQO superiores a 85%, oxidação total do nitrogênio amoniacal e eficiências de remoção de nitrogênio de aproximadamente 55%. Variações posteriores nas condições de operação, como o aumento do período anóxico (de 1h para 1h15min) e redução do tempo de detenção hidráulica (para valores inferiores a 12 horas), resultaram em melhora no desempenho dos reatores. Os resultados obtidos permitem admitir que as melhores condições de operação não foram atingidas durante o experimento, abrindo a possibilidade para a otimização do processo em pesquisas futuras. Constatou-se que o desenvolvimento das populações microbianas imobilizadas no meio suporte foi diferente do observado na biomassa em suspensão. Verificou-se, também, que a biomassa responsável pela nitrificação e desnitrificação ocorreu predominantemente no meio suporte, enquanto que a biomassa heterotrófica predominou no lodo em suspensão. / The operating conditions for the combined removal of nitrogen and organic matter in moving- bed biological reactor were investigated. Two bench-scale reactors, two liters each, were operated under intermittent aeration and continuously fed with synthetic wastewater containing ammonia nitrogen (90 to 110 mg/L) and molasses as organic carbon source (COD of 450 to 550 mg/L). Each reactor received different moving-bed materials: polyurethane foam matrices and plastic rings, respectively. During the first experimental period, the reactor containing plastic rings maintained very low nitrogen removal efficiencies during large period. For this reason, the moving-bed was replaced by polyurethane foam matrices and the reactor was re-inoculated with aerobic wastewater plant sludge. Thereafter, the two reactors were similar except for the origin, age and characteristics of the inoculum sludge. First, the wastewater micronutrients were just those contained in the carbon source (molasses). After, the synthetic wastewater composition was changed by adding a solution of micronutrients. This procedure was adopted to achieve a stable nitrification process, because commercial molasses is a very poor regarding its micronutrient composition. As a result of the stable conditions prevalence just after adding micronutrients, organic matter (as COD) removal efficiencies were higher than 85% and complete nitrogen ammonia oxidation was achieved. In nitrogen removal efficiencies were approximately 55%. The performance of the reactors improved after the increase of the anoxic period from1h to 1h15min, and reduction of the hydraulic detention time to less than 12 h. The results obtained in the last operating period indicated the optimum operating conditions was not achieved in this experiment, thus opening the possibility of process improvement in further researches. Microbial populations with different characteristics were developed in suspended growth and attached biomass. Nitrification and denitrification bacteria predominated as attached biomass whereas heterotrophic bacteria predominated as suspended growth biomass.

O presente trabalho constou da concepção de um reator anaeróbio em regime de batelada com circulação da fase aquosa contendo biomassa imobilizada em espuma de poliuretano. O reator foi operado em ciclos de 8 h e mantido a 30 ± 1ºC tratando água residuária sintética elaborada à base de glicose, com concentração de aproximadamente 500 mgDQO/L. O estudo hidrodinâmico realizado com velocidade superficial de recirculação entre 0,16 e 0,80 cm/s indicou que o tempo de mistura obtido em todas as condições pode ser considerado desprezível quando comparado ao tempo total do ciclo, e também permitiu considerar o comportamento do escoamento no leito como o de um reator pistonado. O desempenho do reator no tratamento da água residuária foi avaliado para a condição sem circulação e também para velocidades superficiais de recirculação entre 0,03 e 0,30 cm/s. Os resultados obtidos indicaram que o reator apresentou desempenho satisfatório e boa estabilidade, apresentando eficiências de até 96% de remoção da matéria orgânica. O aumento da velocidade superficial de recirculação diminuiu a resistência a transferência de massa na fase líquida, ocasionando um aumento de 115% na velocidade global de reação, estimada através do ajuste dos valores experimentais da concentração de substrato ao modelo de primeira ordem. / A new configuration of an anaerobic bioreactor with external circulation of the liquid phase wherein the biomass was immobilized on a polyurethane foam matrix is proposed. 8-hours cycles were cartied out at a temperature of 30 ± 1°C treating glucose synthetic wastewater at a concentration around 500 mg/L. A hydrodynamic study performed at 0.16 to 0.80 cm/s showed that the obtained mixture time is insignificant compared to the total cycles time, and the flow through the polyurethane foam bed can be represented by a plug flow. The reactor\'s performance assessed without circulation and with circulating liquid superficial velocity between 0.03 and 0.30 cm/s. The reactor attained operating stability and a COD removal efficiency of 96% was achieved. The increase in the liquid superficial velocity decreases the liquid resistance mass transfer, resulting in an increase of 115% in the global reaction velocity, estimated through the fit of a first model equation on the substrate concentration experimental values.

Nesta pesquisa, estudou-se a aplicação do biofiltro aerado submerso (BF) para pós-tratamento de esgoto sanitário tratado em reator anaeróbio compartimentado (ABR), visando adequar o efluente aos padrões estabelecidos pela legislação ambiental. A pesquisa foi dividida em duas etapas experimentais diferenciadas, principalmente, pela escala do biofiltro. Na primeira etapa, foi utilizado um biofiltro aerado submerso (BF1), em escala de laboratório, com volume útil de 7,82 L, sendo operado com tempo de detenção hidráulica de 3 horas, durante 117 dias. Na segunda etapa, foi empregado um biofiltro aerado submerso (BF2), em escala piloto, com volume útil de 178 L, sendo operado com tempo de detenção hidráulica de 6 horas, durante 47 dias. Em ambas as etapas, foram utilizadas matrizes cúbicas de espumas de poliuretano como meio suporte para imobilização celular e câmara de saturação - semelhante às utilizadas em sistemas de flotação por ar dissolvido - como mecanismo de aeração. O biofiltro BF1 obteve eficiências médias de remoção de DQOB, DBO5 e SST de 78%, 81% e 84%, respectivamente. O efluente apresentou as seguintes características médias: 22 mg DBO5/L, 49 mg DQOB/L e concentrações de SST e SSV inferiores a 20 mg/L em 96% dos valores medidos. A ocorrência do processo de nitrificação foi considerada pequena, atingindo eficiência máxima de conversão igual a 49%. Com relação ao biofiltro BF2, o desempenho do mesmo foi prejudicado pelo arraste do lodo do inóculo durante a primeira retro-lavagem e pelas baixas cargas orgânicas volumétricas aplicadas que dificultaram o crescimento dos microrganismos, não sendo observado se o reator entrou em regime permanente. As eficiências médias de remoção de DQOB, DBO5 e SST foram de 49%, 64% e 51%, respectivamente. . O efluente do biofiltro BF2 apresentou as seguintes médias: 98 mg DQOB/L, 49 mg DBO5/L e 19 mg SST/L. Quanto à inativação de microrganismos patogênicos, os resultados obtidos indicaram a necessidade de uma unidade de desinfecção após o sistema de pós-tratamento. O efluente do biofiltro BF1 apresentou concentrações médias de coliformes totais e fecais de 7,1 x 104 e 1,1 x 105 NMP/100 mL, enquanto para o biofiltro BF2 as concentrações foram de 3 x 106 e 6,4 x 104 NMP/100mL. A espuma de poliuretano comportou-se de forma adequada para imobilização da biomassa aeróbia, bem como para remoção de sólidos suspensos, devida a sua porosidade (90%) e capacidade de absorção. A câmara de saturação mostrou-se eficiente quanto ao processo de saturação de oxigênio e, quando operada com tempos de detenção hidráulica significativos, contribuiu com o processo de tratamento do efluente anaeróbio. / In this research, the application of the submerged aerated biofilter (BF) for post-treatment of domestic wastewater treated in anaerobic baffed reactor (ABR) was studied, seeking to adapt the effluent to established patterns by the environmental legislation. The research was divided in two differentiated experimental stages, mainly, for the scale of the biofilter. In the first stage, a submerged aerated biofilter (BF1), on laboratory scale, with useful volume of 7,82 L, being operated with hydraulic detention time of 3 hours was used for 117 days. In the second stage, a submerged aerated biofilter (BF2), on pilot scale, with useful volume of 178 L, being operated with hydraulic detention time of 6 hours was used for 47 days. In both stages, cubic matrices of polyurethane foam were used as a supports for cellular immobilization and pressure chamber, similar those used then in flotation system for dissolved air, as aeration mechanism. The biofilter BF1 obtained medium efficiencies of removal of BOD5, CODB and TSS 81%, 79% e 84%, respectively. The effluent presented the following medium characteristics: 22 mg BOD5/L, 49 mg CODB/L and concentrations of TSS and VSS lower than 20 mg/L in 96% of the measured values. The occurrence of the nitrification process was considered small, reaching maximum efficiency of conversion of 49%. About the biofilter BF2, its performance was harmed for the lost of sludgeseeding in effluent during the first backwash and for the low applied organic volumetric loads that hindered the growth of the microorganisms, not being observed if the reactor entered in permanent regime. The medium efficiencies of removal of BOD5, CODB and TSS were 64%, 49% and 51%, respectively. The effluent of the biofilter BF2 presented the following medium concentrations: 98 mg CODB/L, 49 mg BOD5/L and 19 mg TSS/L. As a pathogens inactivation, the obtained results indicated the need of a unit of disinfectiafter the post-treatment system. The effluent of the biofilter BF1 presented medium concentrations of total and fecal coliforms of 7,1 x 104 and 1,1 x 105 NMP/100 mL, while for the biofiltro BF2 the concentrations were 3 x 106 and 6,4 x 104 NMP/100mL, respectively. The polyurethane foam behaved in an appropriate way for immobilization of the aerobic biomass, as well as for removal of suspended solids, due its porosity (90%) and absorption capacity. The pressure chamber was shown efficient regarding the process of oxygen saturation, and, when operated with significant hydraulic detention times, it contributed with the process of treatment of the anaerobic effluent.

O projeto consistiu na concepção e avaliação do desempenho de um sistema anaeróbio-aeróbio para tratamento de esgoto sanitário. O leito do reator foi dividido em quatro compartimentos de igual volume. Foi usada espuma de poliuretano para imobilização da biomassa e, para facilitar a partida do reator, esse material suporte foi previamente inoculado. O projeto teve três fases distintas: na primeira etapa, foi observada a importância da concentração de biomassa anaeróbia no desempenho de reator anaeróbio a princípio operado com metade do leito reacional com espuma e, a seguir, com o leito todo preenchido com espuma. Na segunda etapa, foram testados diferentes tempos de detenção hidráulica no reator que operou apenas em condições anaeróbias. Na última etapa foi operado o reator combinado anaeróbio-aeróbio. Ficou constatada a importância da concentração de microrganismos no desempenho do reator anaeróbio, pois com o aumento da quantidade de espuma, o reator atingiu resultados melhores e maior estabilidade operacional. Foi comprovada a influência do tempo de detenção hidráulica (TDH) no desempenho do reator. Tempos de detenção muito altos acarretam problemas de transferência de massa líquido-sólido, e baixos TDH dificultam adequada ação dos microrganismos. O melhor resultado para o reator em operação exclusivamente anaeróbia foi para o TDH de 10 horas, no qual se conseguiu reduzir a DQO de amostra bruta de 389 +/- 70 mg/L para 137 +/- 16 mg/L, em média. Para o reator operado anaeróbio-aeróbio a DQO de amostra bruta decresceu de 259 +/- 69 mg/L para 93 +/- 31 mg/L, em média. A comparação de todos os resultados obtidos, evidenciou a importância do pós-tratamento aeróbio na remoção de parcela de matéria orgânica não removida em tratamento unicamente anaeróbio. / The project consisted in the design and performance evaluation of an anaerobic-aerobic system for wastewater treatment. Polyurethane foam was used for biomass immobilization and, to smooth the reactor start-up, this supporting material was previously inoculated. The project was divided in three distinct phases. In the first one, the importance of the anaerobic biomass concentration was observed in the performance of the anaerobic reactor in a way to operate the reactor primarily with half of the reaction bed filled with foam and subsequently operate it with the bed completely filled with foam. In the second phase, different times of hydraulic retention were tested with the reactor operating exclusively in anerobic conditions. In the third and last phase, an anaerobic-aerobic combined reactor was operated. It was possible to confirm the importance of microorganism concentration in the performance of the anaerobic reactor, since the increase in the amount of foam allowed the reactor to reach better results and greater operational stability. The influence of the hydraulic retention time in the reactor performance was also proved. Very high retention times cause problems in the liquid-solid mass transference, while low retention times do not allow an adequate action of microorganisms. The best result for the reactor with an exclusive anaerobic operation was the 10 hour retention time, when it was possible to reduce the COD of a 389 +/- 70 mg/L gross sample to a 137 +/- 16 mg/L in average. On the other hand, for the anaerobic-aerobic operating reactor, the COD of a gross sample dropped from 259 +/- 69 mg/ L to 93 +/- 31 mg/L in average. Finally, comparing all the obtained results, it was possible to verify the importance of the anaerobic post treatment in the removal of a part of the organic matter not removed in an exclusively anaerobic treatment.

A atividade industrial diversificada tem sido responsável pelo lançamento, no ambiente, de resíduos que contém materiais tóxicos e/ou de difícil degradação. Benzeno, tolueno, etilbenzeno e xilenos (BTEX) são compostos importantes, por estarem presentes em águas superficiais e subterrâneas, geralmente a partir de contaminações por derivadas de petróleo. Enquanto a degradação aeróbia de BTEX já está amplamente entendida e descrita, a aplicação de processos anaeróbios de tratamento, indicados na década de 80 ainda requer mais estudos. Reatores anaeróbios horizontais de leito fixo de bancada preenchidos com cubos de espuma de poliuretano, contendo lodo anaeróbio proveniente de diversas fontes trataram a água residuária sintética a base de proteínas, carboidratos, lipídios, contendo solução etanólica de BTEX e solução de BTEX em detergente comercial; e solução etanólica de BTEX como únicas fontes de carbono. A influência da adição de nitrato e sulfato como aceptores de elétrons na degradação anaeróbia também é discutida. Os reatores foram capazes de remover BTEX nas concentrações testadas de até 15,0 mg/L de cada composto, com tempos de detenção hidráulica de 11,4 horas e 13,5 horas. Os reatores forneceram condições excelentes para o desenvolvimento de biofilme complexo capaz de degradar BTEX, contendo organismos degradadores de BTEX, acetogênicos, acetoclásticos e hidrogenotróficos. Arqueas metanogênicas representaram menos de 0,5% do total de organismos anaeróbios na biomassa dos reatores. O modelo cinético de primeira ordem com residual foi o que melhor representou os dados experimentais e as velocidades de degradações de BTEX, estimadas neste trabalho, foram cerca de 10 a 94 vezes maiores que as encontradas na literatura, em ensaios realizados em microcosmos. / The diversified industrial activity has been responsible for discharge in the environment of toxic and/or difficult degradation compounds. Benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes (BTEX) are important compounds present in surface and ground waters, usually from petroleum products contamination. While BTEX aerobic degradation is extensively understood and described, anaerobic treatment application, started in the eighties, associated to fundamental studies need to be improved. Bench-scale horizontal-flow anaerobic immobilized biomass reactors filled with polyurethane foam matrices, containing immobilized anaerobic biomass from various sources, treated synthetic substrate containing protein, carbohydrates, lipids, BTEX solution in ethanol and BTEX solution in commercial detergent, as well as BTEX solution in ethanol as the sole carbon source. The influence of the addition of nitrate and sulfate as electron acceptors on anaerobic degradation is also discussed. The reactors were able to remove up to 15.0 mg/L of each BTEX compound, with hydraulic detention time of 11.4 hours and 13.5 hours. The reactors provided excellent conditions for developing a complex biofilm with BTEX-degraders, acetogenic, acetoclastic and hydrogenotrophic microorganisms. Methanogenic archaea were found to represent less than 0.5% of the total anaerobic organisms in the biomass inside the reactors. Residual first order kinetic model fitted well the experimental data and the BTEX degradation rates, estimated in this work, were about 10- to 94-fold higher than those found in the literature, in microcosms studies.

Les mousses de polyuréthane (PU) hautement poreuses sont largement utilisées dans différentes industries pour dissiper l’énergie des ondes sonores et vibratoires. La propagation des ondes acoustiques dans ces matériaux poroélastiques est décrite à partir d’un ensemble de paramètres physiques connus sous le nom de paramètres de Biot (pour les matériaux isotropes, ils sont composés de 5 paramètres non acoustiques et de 4 paramètres mécaniques). Il est bien connu que les propriétés macroscopiques dépendent intrinsèquement des propriétés de la microstructure de la mousse. Ainsi, une compréhension claire des corrélations entre la structure interne des mousses de PU et leurs paramètres de Biot ainsi que la contribution de chaque paramètre, soit microscopique ou macroscopique, sur l’indicateur vibroacoustique désiré est d’un intérêt majeur au stade précoce de la conception et de l’optimisation de ces matériaux poroélastiques. Le développement d’un modèle micromacro qui corrèle les propriétés de la microstructure aux paramètres macroscopiques de Biot est donc nécessaire. Récemment, un modèle qui corrèle les propriétés de la microstructure des mousses PU hautement poreuses à leurs propriétés non acoustiques a été présenté par Doutres et coll. [24, 25]. Dans cette étude, les propriétés de la microstructure (dimensions de la cellule et taux de réticulation) sont d’abord caractérisées par un microscope électronique à balayage (SEM). Ensuite, l’effet du taux de réticulation (mesurant le pourcentage de fenêtres ouvertes), de la taille des cellules et de la densité relative sur les propriétés mécaniques de la mousse de polyuréthane a été élucidé à l’aide d’un modèle numérique. Se basant sur ce modèle, un modelé analytique existant, qui corrèle les propriétés de la microstructure de mousses PU entièrement réticulées à ses propriétés mécaniques, a été revu et corrigé pour tenir compte de l’effet important du taux de réticulation. En combinant le modèle de Doutres avec le modèle mécanique développé dans cette thèse, un modèle micro-macro complet est ainsi obtenu. Utilisant ce modèle, l’impact de la variabilité de la microstructure et la contribution de chacun des paramètres microstructuraux à la réponse vibroacoustique ont été étudiés utilisant une méthode d’analyse de sensibilité globale (FAST). La méthode FAST a été utilisée pour identifier l’impact de la microstructure sur, premièrement, les paramètres de Biot-Allard et, deuxièmement, sur les indicateurs vibroacoustiques (absorption et perte par transmission) des mousses de polyuréthane poroélastiques. Une fois les modèles micro-macro et la contribution des propriétés de la microstructure connus, la performance vibroacoustique de la mousse a été optimisée. Ainsi nous avons testé numériquement la performance acoustique de mousses homogènes et de mousses graduellement structurées (variation de propriétés suivant l’épaisseur de la mousse). Cette étude ouvre ainsi de nouvelles portes pour concevoir des mousses PU innovantes avec une microstructure modifiée et des performances vibroacoustique améliorées. / Abstract : Highly porous polyurethane (PU) foams are widely used in different industries to dissipate the energy of sound and vibration waves. Propagation of acoustic waves in such poroelastic materials is explained based on a set of physical parameters known as the Biot's parameters (for isotropic materials these are comprised of 5 non-acoustical parameters and 4 mechanical parameters). These macroscopic properties are inherently dependent on the microstructure properties of the foam. Hence, a clear understanding of correlations between the internal structure of PU foams and their Biot's parameters and the contribution of each parameter, either microscopic or macroscopic, to classical vibro-acoustic indicators is of utmost interest at the early stage of design and optimization of such poroelastic materials. In consequence, a micro macro model that correlates microstructure properties to macroscopic Biot's parameters is needed. Recently, a model that correlates the microstructure properties of highly porous PU foams to their non-acoustical properties was presented by~\citet{Doutres2011,Doutres2013}. In this study, micro-structure properties (strut length, strut thickness, and open pore content) are first characterized using a Scanning Electron Microscope (SEM). Then, a numerical study is performed to elucidate the effect of open pore content (known as reticulation rate), cell size, and relative density on the mechanical properties of polyurethane foam. Based on this study, an existing analytical model~\cite{Gong2005} that correlates fully reticulated unit cell microstructure properties of PU foams to its mechanical properties is corrected and updated to account for these important parameters. Combined with Doutres’ model, the proposed extension lead to a full micro-macro model for predicting the acoustic performance of PU foams from its microstructure. Using this model, the contribution of the unit cell parameters and effect of their variability on classical vibro-acoustic indicators (absorption and transmission loss) is investigated using a global sensitivity analysis method (FAST). The FAST method is used to identify the impact of microstructure role on, first, the Biot-Allard parameters and, second, on vibro-acoustical indicators of poroelastic polyurethane foams. Based on this sensitivity analysis study, the developed micro-macro model, is used to design both optimum homogeneous foam and functionally graded foams (properties optimally varnish along the thickness of the foam) targeting specific in absorption and/or transmission loss problems. This study opens thus a new door to design innovative PU foams with modified micro-structure and improved vibro-acoustical performance.

Hat sections, single and double, made of steel are frequently encountered in automotive body structural components such as front rails, B-Pillar, and rockers of unitized-body cars. These thin-walled components can play a significant role in terms of crashworthiness and impact energy absorption, through a nonlinear phenomenon called as progressive dynamic buckling. As modern vehicle safety design relies heavily on computer-aided engineering, there is a great need for analysis-based predictions to yield close correlation with test results. Although hat sections subjected to axial loading have been studied widely in the past, there is scanty information in published literature on modeling procedures that can lead to robust prediction of test responses. In the current study, both single-hat and double-hat components made of mild steel are studied extensively experimentally and numerically to quantify statistical variations in test responses such as peak load, mean load and energy absorption, and formulate modeling conditions for capturing elasto-plastic material behavior, strain rate sensitivity, spot-welds, etc. that can lead to robust predictions of force-time and force-displacement histories as well as failure modes. In addition, keeping initial stages of vehicle design in mind, the effectiveness of soft computing techniques based on polynomial regression analysis, radial basis functions and artificial neural networks for quick assessment of the behaviors of steel hat sections has been demonstrated. The study is extended to double-hat sections subjected to eccentric impact loading which has not been previously reported. A lightweight enhancement of load carrying capacity of steel hat section components has been investigated with PU (polyurethane) foam-filled single and double hat sections, and subjecting the same to quasi-static and axial impact loading. Good predictions of load-displacement responses are again obtained and shortening of fold lengths vis-à-vis hollow sections is observed. Finally, the performance of hat sections made of glass fiber-reinforced composites is studied as a potential lightweight substitute to steel hat section components. The challenging task of numerical prediction of the behaviors of the composite hat sections has been undertaken using a consistent modeling and analysis procedure described earlier and by choosing an appropriate constitutive behavior available in the popular explicit contact-impact analysis solver, LS-DYNA.