Thesis (M.S.)--University of Texas at El Paso, 2009. / Title from title screen. Vita. CD-ROM. Includes bibliographical references. Also available online.

Dissertation (Ph. D.)--University of Akron, Dept. of Mechanical Engineering, 2009. / "August, 2009." Title from electronic dissertation title page (viewed 9/2/2009) Advisor, Minel J. Braun; Committee members, Fred K. Choy, Alex Povitsky, Subramaniya I. Hariharan, Robert C. Hendricks, Gerald W. Young; Department Chair, Celal Batur; Dean of the College, George K. Haritos; Dean of the Graduate School, George R. Newkome. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2008. / Vita. Includes bibliographical references.

A ce jour il n'est toujours pas possible de prédire avec exactitude le phénomène d'érosion par cavitation. La raison principale est qu'il est difficile de caractériser l'agressivité de l'écoulement. Cette thèse propose d'utiliser une méthode inverse pour estimer l'agressivité de l'écoulement à partir de l'observation des cratères (pits) imprimées sur la surface dans les premiers instants de l'érosion de cavitation. Trois matériaux ont été testés dans la veine d'écoulement PREVERO disponible au LEGI de Grenoble dans les mêmes conditions expérimentales. La géométrie des pits laissés sur la surface est précisément mesurée à l'aide d'une méthode systématique permettant de s'affranchir de l'effet de rugosité. Supposant que chaque pit a été généré par une bulle unique dont le champ de pression est assimilé à une forme Gaussienne, des calculs par éléments finis permettent d'estimer le chargement qui a créé l'empreinte résiduelle. On montre que la distribution des chargements suit une loi universelle indépendante du matériau testé; le matériau le plus tendre (alliage d'aluminium) mesurant les plus faibles impacts tandis que le matériau le plus résistant (Acier inoxydable) donne accès aux plus grandes pressions d'impact. On en conclu que le matériau peut être utilisé comme capteur de pression mesurant le niveau d'agressivité de l'écoulement. La méthode inverse repose sur une caractérisation mécanique des matériaux prenant en compte la sensibilité de la contrainte à la vitesse de déformation. On montre que les essais de nanoindentation sont mieux adaptés que les essais de compression pour déterminer les paramètres de la loi de comportement, notamment pour l'alliage d'aluminium pour lequel la microstructure est très hétérogène. Des essais de compression à haute vitesse par barres de Hopkinson complètent la loi de comportement en donnant la sensibilité à la vitesse de déformation. Des simulations prenant en compte la dynamique du chargement montrent que des impacts de fort amplitude mais appliqués sur un temps court ne laissent pas d'empreinte résiduelle si la fréquence est plus élevée que la fréquence naturelle du matériau assimilé à un oscillateur amorti. Un mécanisme d'accumulation dynamique de la déformation plastique pouvant conduire à la rupture par fatigue est proposé. Finalement, la courbe de perte de masse est simulée en appliquant aléatoirement sur un maillage 3D, la population d'impacts estimée par la méthode inverse. / Numerical prediction of cavitation erosion requires the knowledge of flow aggressiveness, both of which have been challenging issues till-date. This thesis proposes to use an inverse method to estimate the aggressiveness of the flow from the observation of the pits printed on the surface in the first moments of the cavitation erosion. Three materials were tested in the same experimental conditions in the cavitation tunnel PREVERO available LEGI Grenoble. The geometry of the pits left on the surface is precisely measured using a systematic method to overcome the roughness effect. Assuming that each pit was generated by a single bubble collapse whose pressure field is treated as a Gaussian shape, finite element calculations are run for estimating the load that created each residual imprint. It is shown that the load distribution falls on a master curve independent of the tested material; the softer material (aluminum alloy) measuring the lowest impacts while the most resistant material (duplex stainless steel) provides access to the largest impact pressures. It is concluded that the material can be used as a pressure sensor measuring the level of aggressiveness of the flow. The inverse method is based on a material characterization taking into account strain rate effects. It is shown that nanoindentation tests are more suitable than compression tests to determine the parameters of the behavior law, particularly for the aluminum alloy for which the microstructure is very heterogeneous. High-speed compression tests with split Hopkinson pressure bars complement the constitutive law giving the sensitivity to the strain rate. Simulations considering the dynamic loading show that impacts of strong amplitude but applied in a short time do not leave any residual pit if the frequency is higher than the natural frequency of the material treated as a damped oscillator. A dynamic mechanism of plastic strain accumulation that could eventually lead to fatigue failure is proposed. Finally, the mass loss curve of cavitation erosion is simulated by applying randomly on a 3D mesh, the impact force population estimated by the inverse method.

As expectativas dinâmicas de um mundo de inovações tecnológicas, consubstanciados por explorações menos agressivas ao meio ambiente, dirigidas a um mercado consumista emergente, representam desafios para soluções de problemas de engenharia dirigidos para diversos segmentos da sociedade. Com o desenvolvimento do concreto compactado com rolo (CCR), a partir dos anos 70, o emprego de vertedouros em degraus em barragens de gravidade tornou-se uma solução atrativa, visto que, proporciona, simultaneamente, o aumento da dissipação da energia do escoamento e a redução do tempo e dos custos de implantação dessas obras. Atualmente, têm-se usado como restrições ao seu emprego de vertedouros em degraus valores máximos de vazões específicas que, sem um limite consensual, vêm tolhendo suas potencialidades. A macrorugosidade da calha acelera o processo de aeração do escoamento, se comparado com um vertedouro de soleira lisa, protegendo, para a zona aerada, os degraus contra erosão por cavitação. Entretanto, para o trecho não aerado do escoamento, existem riscos desse processo se estabelecer. As descontinuidades da fronteira sólida propiciam a sucessiva separação da camada limite nos cantos externos dos degraus. Nessa região são geradas pressões muito baixas. O presente estudo, realizado no Instituto de Pesquisas Hidráulicas, objetivou, através de medições experimentais, descrever, caracterizar e modelar pressões hidrodinâmicas nas soleiras dos degraus, estabelecendo limites para incipiência à cavitação no trecho não-aerado do escoamento. Três calhas escalonadas com declividade 1V:0,75H e alturas de degraus iguais a 0,03 m; 0,06 m e 0,09 m foram projetadas e construídas para a investigação. As amostras de pressões registradas com transmissores de pressão a 50 Hz e duração de 3minutos e 12 horas possibilitaram caracterizar o campo de pressão identificando zonas críticas, bem como, avaliando o comportamento estatístico dessas solicitações. As maiores flutuações de pressões foram registradas nas extremidades externas dos degraus e na seção de afloramento da camada limite, chegando a valores negativos de 0,69 vezes a distância vertical entre a crista e a seção analisada. Determinaram-se freqüências dominantes compreendidas entre 7-18 Hz, com valores máximos situados nos patamares dosdegraus. Os números adimensionais de Strouhal, calculados com as freqüências predominantes e as profundidades equivalente do escoamento, diminuíram de 0,40 a 0,04 no sentido do fluxo. Quanto aos limites de incipiência à cavitação, as vazões especificas mais restritivas ao emprego de vertedouros em degraus ficaram na faixa entre 11,3 e 15,6 m²/s com velocidades médias da ordem de 17 m/s, obtidas para a seção de afloramento da camada limite. / Hydraulic researchers have to accomplish the technological and construction materials innovations to new security design project criteria compatible to low costs requirement. At 70’s years, with the development of the Roller Compact Concrete (RCC), the use of stepped spillways has become an attractive solution for gravity dams. In steeply sloping stepped spillways, the large step macro-roughness promotes the occurrence of negative pressures on the step cavity, particularly near the external edge of the vertical step face. Consequently one may expect the occurrence of sub-atmospheric pressure conditions capable to induce cavitation for velocities lower than those observed in smooth chute spillways. Predicting cavitation damage is more complex than predicting cavitation inception. Flow conditions leading to the onset of cavitation are generally conservative in predicting damage. The severity of damage that may be expected is related both to intensity of cavitation and time of exposure. There is still no consensus on the maximum unit discharge or flow velocity which assures cavitation safe design of stepped spillways.The study carried through in the Institute of Hydraulic Research (UFRGS - Brazil), had the main goal: described, characterized and modeled experimental measurements of hydrodynamic pressures on the faces of the steps and established limits of incipient cavitation. Three stepped chutes with declivity 1V:0.75H and 0.03 m; 0.06 m and 0.09 m steps heights were projected. The samples of pressures were registered with pressure transmitters with 50 Hz and 3 minutes duration. Long-duration test were also conducted (12 hours sample size) that permitted characterize the pressure field, identifying critical zones, as well as, evaluating its statistical behaviour. The largest fluctuating pressures had been registered in the outer corner on the steps and at the inception point of air entrainment. At this last position can be expected negative pressure values close to 0.69 times the vertical distance between the crest and the analyzed section. The dominant frequencies found varied between 7-18 Hz. The dimensionless number of Strouhal calculated with the predominant frequencies and the clear equivalent depth, had diminished of 0.40 the 0.04 in the direction of the flow. The pressure measurements indicated specific discharge between 11.3-15.6 m²/s and average velocity in order of 17 m/s to inception cavitation process near the inception point.

O uso de comportas ou válvulas em condutos para efetuar o controle de fluxo em estruturas hidráulicas é bastante usual. Uma das aplicações deste tipo de dispositivo de controle de vazões é para fazer o enchimento e esvaziamento de câmaras de eclusas de navegação. Entretanto, a sua aplicação deve ser feita com cuidado em função da complexidade do escoamento, o qual pode apresentar grandes variações de velocidade e pressões junto à base e ao teto da galeria a jusante da comporta. O gradiente de pressão pode variar no tempo e no espaço podendo vir a ocasionar danos por erosão (desgaste) e/ou cavitação. Assim, torna-se fundamental obter critérios para a estimativa de previsão do valor dessas pressões para, então, poder inferir a possibilidade de danos junto à superfície sólida, permitindo que se determinem as condições críticas de operação que devem ser evitadas ou minimizadas durante as operações de esvaziamento ou de enchimento da câmara da eclusa. Esta pesquisa procura apresentar o estado da arte em relação à distribuição longitudinal das pressões a jusante de comportas tipo segmento invertida e os resultados e análises desenvolvidas em um modelo físico de laboratório. Estes estudos permitiram compreender o comportamento das pressões e verificar se o método sugerido por Batistton (2013), para estimar os valores da distribuição longitudinal das pressões junto à base e o teto da galeria a jusante da comporta, podem ser aplicados para todas as aberturas da comporta. As análises desenvolvidas consentiram observar que as situações críticas ocorrem para aberturas entre 40% e 60% e que as pressões mínimas ocorrem em uma distância adimensional ( ) em torno de 2 a 6. Destaca-se que todos os resultados apresentados na presente pesquisa são válidos para coeficiente de pressão média para abertura de 100% da comporta, CP* 100%, entre 2,8 e 65,9. / The practice of using of gates or valves in conduits to control the flow in hydraulic structures is a common one. One of the applications for this type of device is the flow control for filling and emptying navigation locks. However proper care should be taken when applying those due to the inherit complexity of the flows, which can present significant pressure and velocity fluctuation in the regions next to the floor and ceiling downstream of these gates. Fluctuations in the pressure gradients can cause damage by erosion and/or cavitation. For these reasons its of interest the understanding of criteria for the estimative of those pressures to then infer the possibility of damage in the solid boundaries, allowing the determination of critical operation conditions which to avoid or minimize during the emptying and filling operations of lock chambers. This research aims to present the state of art regarding the longitudinal pressure distribution downstream of inverted tainter gates and the results of experimental data obtained in a physical model. These study allowed to comprehend the behavior of the aforementioned pressures and to verify the method proposed by Battiston (2013) to estimate longitudinal pressure distributions next to the ceiling and floor of those types of structures. The developed analysis showed that the critical conditions occur in between the 40% and 60% opening and that the minimum pressures occur in between a dimensionless distance (Ladm) 2 and 6. The presented results are valid for a mean pressure coefficient of 100% gate opening, CP*100%, between 2,81 and 65,9.

As expectativas dinâmicas de um mundo de inovações tecnológicas, consubstanciados por explorações menos agressivas ao meio ambiente, dirigidas a um mercado consumista emergente, representam desafios para soluções de problemas de engenharia dirigidos para diversos segmentos da sociedade. Com o desenvolvimento do concreto compactado com rolo (CCR), a partir dos anos 70, o emprego de vertedouros em degraus em barragens de gravidade tornou-se uma solução atrativa, visto que, proporciona, simultaneamente, o aumento da dissipação da energia do escoamento e a redução do tempo e dos custos de implantação dessas obras. Atualmente, têm-se usado como restrições ao seu emprego de vertedouros em degraus valores máximos de vazões específicas que, sem um limite consensual, vêm tolhendo suas potencialidades. A macrorugosidade da calha acelera o processo de aeração do escoamento, se comparado com um vertedouro de soleira lisa, protegendo, para a zona aerada, os degraus contra erosão por cavitação. Entretanto, para o trecho não aerado do escoamento, existem riscos desse processo se estabelecer. As descontinuidades da fronteira sólida propiciam a sucessiva separação da camada limite nos cantos externos dos degraus. Nessa região são geradas pressões muito baixas. O presente estudo, realizado no Instituto de Pesquisas Hidráulicas, objetivou, através de medições experimentais, descrever, caracterizar e modelar pressões hidrodinâmicas nas soleiras dos degraus, estabelecendo limites para incipiência à cavitação no trecho não-aerado do escoamento. Três calhas escalonadas com declividade 1V:0,75H e alturas de degraus iguais a 0,03 m; 0,06 m e 0,09 m foram projetadas e construídas para a investigação. As amostras de pressões registradas com transmissores de pressão a 50 Hz e duração de 3minutos e 12 horas possibilitaram caracterizar o campo de pressão identificando zonas críticas, bem como, avaliando o comportamento estatístico dessas solicitações. As maiores flutuações de pressões foram registradas nas extremidades externas dos degraus e na seção de afloramento da camada limite, chegando a valores negativos de 0,69 vezes a distância vertical entre a crista e a seção analisada. Determinaram-se freqüências dominantes compreendidas entre 7-18 Hz, com valores máximos situados nos patamares dosdegraus. Os números adimensionais de Strouhal, calculados com as freqüências predominantes e as profundidades equivalente do escoamento, diminuíram de 0,40 a 0,04 no sentido do fluxo. Quanto aos limites de incipiência à cavitação, as vazões especificas mais restritivas ao emprego de vertedouros em degraus ficaram na faixa entre 11,3 e 15,6 m²/s com velocidades médias da ordem de 17 m/s, obtidas para a seção de afloramento da camada limite. / Hydraulic researchers have to accomplish the technological and construction materials innovations to new security design project criteria compatible to low costs requirement. At 70’s years, with the development of the Roller Compact Concrete (RCC), the use of stepped spillways has become an attractive solution for gravity dams. In steeply sloping stepped spillways, the large step macro-roughness promotes the occurrence of negative pressures on the step cavity, particularly near the external edge of the vertical step face. Consequently one may expect the occurrence of sub-atmospheric pressure conditions capable to induce cavitation for velocities lower than those observed in smooth chute spillways. Predicting cavitation damage is more complex than predicting cavitation inception. Flow conditions leading to the onset of cavitation are generally conservative in predicting damage. The severity of damage that may be expected is related both to intensity of cavitation and time of exposure. There is still no consensus on the maximum unit discharge or flow velocity which assures cavitation safe design of stepped spillways.The study carried through in the Institute of Hydraulic Research (UFRGS - Brazil), had the main goal: described, characterized and modeled experimental measurements of hydrodynamic pressures on the faces of the steps and established limits of incipient cavitation. Three stepped chutes with declivity 1V:0.75H and 0.03 m; 0.06 m and 0.09 m steps heights were projected. The samples of pressures were registered with pressure transmitters with 50 Hz and 3 minutes duration. Long-duration test were also conducted (12 hours sample size) that permitted characterize the pressure field, identifying critical zones, as well as, evaluating its statistical behaviour. The largest fluctuating pressures had been registered in the outer corner on the steps and at the inception point of air entrainment. At this last position can be expected negative pressure values close to 0.69 times the vertical distance between the crest and the analyzed section. The dominant frequencies found varied between 7-18 Hz. The dimensionless number of Strouhal calculated with the predominant frequencies and the clear equivalent depth, had diminished of 0.40 the 0.04 in the direction of the flow. The pressure measurements indicated specific discharge between 11.3-15.6 m²/s and average velocity in order of 17 m/s to inception cavitation process near the inception point.

Esta dissertação é composta por 5 artigos. / CNPq / INTRODUÇÃO E OBJETIVOS: O arroz é um dos cereais mais consumidos no mundo e durante o seu beneficiamento, obtém-se o farelo que representa cerca de 8% do peso total do grão. O farelo de arroz desengordurado contém aproximadamente 15% de proteínas de alto valor nutricional. As técnicas de extração permitem além de extrair, selecionar e separar e determinadas substâncias. A extração das proteínas do farelo de arroz em meio alcalino é muito utilizada porque neste pH sua solubilidade é máxima e há a ruptura das paredes celulares. Podem ser usados métodos mecânicos e não mecânicos. A agitação mecânica com a movimentação de líquidos por meio de impulsores giratórios auxilia no rompimento das paredes celulares durante processos de extração. A extração assistida por ultrassom (EAU) utiliza frequências acima de 20 kHz para gerar cavitação em meios líquidos, que nada mais é que o colapso de microbolhas de gás e vapor que ocorre quando as mudanças de pressão no meio são grandes o suficiente, para literalmente dilacerá-lo sob a influência do ultrassom. Com este colapso, há o rompimento celular e a transferência de massa para o meio. Um concentrado de proteína do farelo de arroz (CPFA) deve ter boa solubilidade, propriedades funcionais apropriadas, características organolépticas aceitáveis para serem utilizados como um ingrediente alimentar, e possuir aminoácidos essenciais. Os objetivos deste trabalho foram avaliar os efeitos do pH, temperatura, velocidade da agitação, tempo de agitação, tempo em banho ultrassônico e amplitude da potência na extração das proteínas do farelo de arroz, além de analisar a cor, funcionalidade do CPFA (capacidade de absorção de água e óleo, formação de espuma, estabilidade da espuma, capacidade emulsificante, estabilidade da emulsão e formação de gel), solubilidade, perfil de aminoácidos e sua aceitabilidade quando aplicado em suco de caju. MÉTODOS ─ Verificou-se o rendimento proteico em três tipos de extração alcalina: agitação, banho ultrassônico a 37 kHz e banho ultrassônico a 80 kHz. Numa primeira etapa, aplicou-se o planejamento fatorial fracionário 24-1 (com dois níveis, três repetições no ponto central), totalizando 11 ensaios, tendo como variáveis independentes para a extração com agitação: pH, tempo de agitação (min), velocidade da agitação (rpm) e temperatura (ºC), e para a extração em banho de ultrassom (37 e 80 kHz): pH, tempo de ultrassom (min), temperatura (ºC) e amplitude da potência (%). Na segunda etapa, as variáveis com efeitos significativos (p < 0,05) de cada tipo de extração foram submetidas ao Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) 22 (quatro pontos axiais, três repetições no ponto central), totalizando 11 ensaios. As variáveis dependentes, resposta experimental e predita, foram expressas em g.100 mL-1 de extrato ± desvio padrão médio. Os efeitos foram validados pela Análise de Variância, por meio do software Statistica 8.0, sendo considerada a melhor condição de extração aquela com maior teor proteico e desta, obtido o concentrado. O teor de proteína bruta foi determinado por Kjeldahl e multiplicado por 5,95, e o rendimento, razão do conteúdo total da proteína no farelo de arroz pelo encontrado no CPFA. A cor do concentrado extraído por agitação e por ultrassom foi verificada por colorimetria instrumental e deste último método de extração, determinou-se a composição centesimal (%), minerais (µg.g-1), proteínas solúveis (%), capacidade de absorção de água e óleo (g de água.g-1 de amostra; g de óleo.g-1 de amostra), capacidade de formação de espuma (%), estabilidade da espuma (%), capacidade emulsificante (%), estabilidade da emulsão (%) e capacidade de formar gel, perfil de aminoácidos (g.100 g-1). A aplicabilidade foi verificada por avaliação sensorial de suco de caju (ordenação por preferência e aceitabilidade dos atributos: sabor, cor, aroma e impressão global). PRINCIPAIS RESULTADOS ─ A resposta ótima na extração alcalina com acompanhamento de agitação foi do teor de proteína de 48,53 % (b.s.), em pH 10, velocidade de agitação de 80 rpm, tempo de agitação de 300 min e temperatura de 45 ºC, representando o rendimento de 34,51% na extração. A interação entre as variáveis independentes pH, tempo de agitação e temperatura promoveram efeitos favoráveis para a técnica de extração das proteínas, enquanto que a velocidade de agitação não interfere de modo significativo. O planejamento experimental utilizado foi adequado para estudar os efeitos da associação da agitação mecânica ao processo de extração alcalina das proteínas do farelo de arroz. Nessas condições, o CPFA obtido apresentou forma de pó fino e textura aveludada, com valores de L* de 78,29 ± 0,95, a* -4,97 ± 0,05 e b* 16,51 ± 0,10 para a medida instrumental de cor. Quando se avaliou a extração alcalina associada ao banho ultrassônico, comparou-se o desempenho das frequências de 37 e 80 kHz, comprovou-se que na menor frequência houve maior extração. No ensaio com maior rendimento obteve-se um concentrado proteico com teor de proteína de 83,36% (b.s.), quando utilizado o pH 10, 30 min de ultrassom, 100% de amplitude da potência (30ºC) representando um rendimento de 4,74 % na extração. Portanto, a extração assistida pode ultrassom ser utilizada como um método alternativo para extrair proteínas do farelo de arroz, reduzindo o tempo de extração e consumindo menos energia. A EAU é uma técnica promissora e avançada para a extração de substâncias de interesse alimentar, oferecendo potencial para o desenvolvimento de novos produtos. O CPFA apresentou-se na forma cristalina com valores de L* de 60,42 ± 2,15, a* -1,31 ± 0,53 e b* 20,29 ± 1,39 para a medida instrumental de cor, observou-se menor solubilidade em pH 2, 3, 4 e 5, e maior solubilidade na faixa de pH 6 a 10. A capacidade de absorção de água e de óleo de 1,04 ± 0,07 g.g-1, e 11,75 ± 0,67 g.g-1, respectivamente, superior ao da referência Albumina Bovina Sérica (BSA). A maior quantidade de espuma formada ocorreu em pH 4 e 8 (41,17% ± 2,30; 48,47% ± 1,15) e menor em pH 6 (9,96% ± 0,00), porém a estabilidade das espumas formadas foi baixa em todos os pHs, e em ambos os casos, a BSA apresentou característica espumante superior. CPFA apresentou boa capacidade emulsificante em pH 2, 4, 6 e 8 (56,20% ± 5,39; 66,19% ± 6,57; 67,86% ± 0,19; 72,92% ± 2,95) comparáveis a BSA, mas emulsões menos estáveis em pH 2 (32,50% ± 3,54). Em temperatura de 30 ºC e 8 ºC, o CPFA apresentou baixa capacidade geleificante, com um gel frágil e pouco consistente. O perfil de aminoácidos do CPFA indicou a presença de ácido glutâmico, glicina, histidina, arginina, treonina, valina, metionina, isoleucina, leucina, fenilalanina e lisina, essenciais para a síntese das proteínas. O desempenho sensorial do CPFA foi avaliado em formulações de suco de caju adoçado contendo 0,1%; 0,3% e 0,5% de CPFA e ordenadas de acordo com a preferência de 60 provadores não treinados. Constatou-se que não houve diferença significativa entre as amostras (p > 0,05). Em função deste resultado, um teste de aceitação foi aplicado a 64 provadores não treinados, utilizando uma fórmula de suco de caju adoçado adicionada de 0,5% de CPFA e a Controle (sem CPFA). Verificou-se que houve diferença significativa (p < 0,05) entre as amostras nos atributos cor, sabor, aroma e impressão global. Os provadores gostaram moderadamente do Controle, mas foram indiferentes a fórmula com 0,5% de CPFA, uma vez que acentuou as características sensoriais do arroz ao suco de caju. O CPFA apresentou excelentes propriedades funcionais que o tornam um ingrediente promissor para a indústria alimentícia. / INTRODUCTION AND OBJECTIVES: Rice is the cereal most consumed in the world and during the processing, it is obtained the rice bran which represents 8% of the total weight of the grain. The defatted rice bran contains approximately 15% of protein of high nutritional value. The extraction techniques permit besides to extract, also to select and to separate substances. The extraction of rice bran proteins by alkaline medium is often used because they reach the maximum solubility in the pH and to assist in rupture of cell walls of a food. Mechanical and non-mechanical methods may be used. Mechanical stirring with the movement of liquid through rotating impellers assists in the disruption of the cell walls during extraction processes. The extraction assisted by the ultrasound (EAU) uses frequencies above 20 kHz to generate cavitation in liquids, which is the collapse of microbubbles of gas and vapor that occurs when the pressure changes in the middle are large enough to literally lacerate it under the influence of ultrasound. With this collapse, there is the cell disruption and the mass transfer to the environment. A rice bran protein concentrate (RBPC) should have good solubility, appropriate functional properties, acceptable sensory characteristics to be used as a food ingredient e to have essential amino acids. The objectives of this study were evaluate the effects of pH, temperature, speed of stirring, stirring time, time in ultrasonic bath and amplitude of the power in the extraction of rice bran protein, and analyzing the color, RBPC functionality (water and oil retention capacity, foaming, foam stability, emulsifying capacity, emulsion stability and gel formation), solubility, amino acid profile and its acceptability when applied in cashew juice. METHODS ─ It was verified the protein yield in three types of alkaline extraction: agitation, ultrasonic bath at 37 kHz and ultrasonic bath at 80 kHz. As a first step, it was applied the Fractional Factorial Planning 24-1 (with two levels, three replicates in the central point), totaling 11 trials, with the independent variables for extraction with stirring: pH, agitation time (min), speed stirring (rpm) and temperature (°C) and for the extraction in an ultrasound bath (37 and 80 kHz): pH, ultrasound time (min) temperature (°C) and power range (%). In the second stage, the variables with significant effects (p < 0.05) of each type of extraction were subjected to Design Central Composite Rotational (DCCR) 22 (four axial points, three repetitions at the central point), totaling 11 trials. The dependent variables, the experimental and predicted response were expressed in g.100 mL-1 extract ± average standard deviation. The effects were validated by analysis of variance, using software Statistica 8.0, being considered the best extraction condition one with the highest protein content and thus, obtained the concentrate. The crude protein content was determined by Kjeldahl and multiplied by 5.95. The yield was calculated as the ratio of the total content of protein in rice bran by the one found in the RBPC. The color of the concentrate extracted by stirring and by ultrasound was checked by instrumental colorimetry and from the latter extraction method, it was determined the chemical composition (%), minerals (μg.g-1), soluble protein (%), water and oil retention capacity (g water.g-1 sample; g oil.g-1 sample), foaming capacity (%), foam stability (%), emulsifying capacity (%), stability of emulsion (%), ability to form gel and amino acid profile (g.100 g-1). The applicability was checked by sensory evaluation of cashew juice (preference and acceptability of attributes as taste, color, smell and global impression). MAIN RESULTS ─ The optimal response in the alkaline extraction with monitoring of stirring was of 48.53% protein (DB), at pH 10, stirring speed of 80 rpm, stirring time of 300 min and temperature of 45 °C, representing the yield of 34.51% in extraction. The interaction between the independent variables as pH, stirring time and temperature promoted favorable effects on protein extraction technique while the stirring speed does not interfere significantly. The experimental planning used was adequate to study the effects of the combination of mechanical stirring to alkaline extraction process of rice bran protein. Under these conditions, RBPC obtained presented as a fine powder and velvety texture, with values of L* 78.29 ± 0.95, a* -4.97 ± 0.05 and b* 16.51 ± 0.10 for the instrumental color measurement. When assessing the alkaline extraction associated with the ultrasonic bath, it was compared the performance of the frequencies of 37 and 80 kHz, and it was proved that the lower frequencies have shown higher extraction. In the test with increased yield obtained a protein concentrate with a protein content of 83.36% (DB), when used pH 10, 30 min of ultrasound, 100% power range (30 °C), representing a yield of 4,74% extraction. Therefore, the UAE can be used as an alternative method for extracting rice bran protein, reducing the extraction time and consuming less power. UAE is a promising and advanced technique for extracting substances from food interest, offering potential for the development of new products. The RBPC presented in the crystalline form with values L* 60.42 ± 2.15, a* -1.31 ± 0.53 and b*20.29 ± 1.39 for instrumental measurement of color. It was observed a lower solubility at pH 2, 3, 4 and 5, but greater solubility in the pH range 6 to 10. The water and oil absorption capacity was 1.04 ± 0.07 g.g-1 and 11.75% ± 0.67 g.g-1, respectively, higher to reference Bovine Serum Albumin (BSA). The greater amount of foam was formed in pH 4 and 8 (41.17% ± 2.30, 48.47% ± 1.15) and lower at pH 6 (9.96% ± 0.00), but the stability of the formed foam was low at all pHs and in both cases, and BSA showed higher foaming characteristics. RBPC showed good emulsifying capacity at pH 2, 4, 6 and 8 (56.20% ± 5.39, 66.19% ± 6.57, 67.86% ± 0.19, 72.92% ± 2.95) comparable to BSA, but less stable emulsions at pH 2 (32.50% ± 3.54). In temperature of 30 °C and 8 °C, the RBPC showed low gelling capacity with a fragile gel and little consistent. The amino acid profile of the RBPC presented good amounts of glutamic acid, glycine, histidine, arginine, threonine, valine, methionine, isoleucine, leucine, phenylalanine and lysine, essential for protein synthesis. The sensory performance of the RBPC was evaluated in formulations of sweetened cashew juice containing 0.1%; 0.3% and 0.5% RBPC and ordered according to the preference of 60 untrained panelists. It was observed that there was no significant difference between the samples (p > 0.05). Due to this result, an acceptance test was applied to 64 untrained panelists using a formula of sweetened cashew juice added with 0.5% of RBPC and the control formula (without RBPC). It was found that there was a significant difference (p < 0.05) between samples in attributes as taste, color, smell and overall impression. Tasters liked moderately the control formula, but were indifferent to the formula with 0.5% RBPC because the sensory characteristics of the rice were accentuated. The RBPC presented excellent functional properties that make it a promising ingredient for the food industry. / 5000

Esta dissertação é composta por 5 artigos. / CNPq / INTRODUÇÃO E OBJETIVOS: O arroz é um dos cereais mais consumidos no mundo e durante o seu beneficiamento, obtém-se o farelo que representa cerca de 8% do peso total do grão. O farelo de arroz desengordurado contém aproximadamente 15% de proteínas de alto valor nutricional. As técnicas de extração permitem além de extrair, selecionar e separar e determinadas substâncias. A extração das proteínas do farelo de arroz em meio alcalino é muito utilizada porque neste pH sua solubilidade é máxima e há a ruptura das paredes celulares. Podem ser usados métodos mecânicos e não mecânicos. A agitação mecânica com a movimentação de líquidos por meio de impulsores giratórios auxilia no rompimento das paredes celulares durante processos de extração. A extração assistida por ultrassom (EAU) utiliza frequências acima de 20 kHz para gerar cavitação em meios líquidos, que nada mais é que o colapso de microbolhas de gás e vapor que ocorre quando as mudanças de pressão no meio são grandes o suficiente, para literalmente dilacerá-lo sob a influência do ultrassom. Com este colapso, há o rompimento celular e a transferência de massa para o meio. Um concentrado de proteína do farelo de arroz (CPFA) deve ter boa solubilidade, propriedades funcionais apropriadas, características organolépticas aceitáveis para serem utilizados como um ingrediente alimentar, e possuir aminoácidos essenciais. Os objetivos deste trabalho foram avaliar os efeitos do pH, temperatura, velocidade da agitação, tempo de agitação, tempo em banho ultrassônico e amplitude da potência na extração das proteínas do farelo de arroz, além de analisar a cor, funcionalidade do CPFA (capacidade de absorção de água e óleo, formação de espuma, estabilidade da espuma, capacidade emulsificante, estabilidade da emulsão e formação de gel), solubilidade, perfil de aminoácidos e sua aceitabilidade quando aplicado em suco de caju. MÉTODOS ─ Verificou-se o rendimento proteico em três tipos de extração alcalina: agitação, banho ultrassônico a 37 kHz e banho ultrassônico a 80 kHz. Numa primeira etapa, aplicou-se o planejamento fatorial fracionário 24-1 (com dois níveis, três repetições no ponto central), totalizando 11 ensaios, tendo como variáveis independentes para a extração com agitação: pH, tempo de agitação (min), velocidade da agitação (rpm) e temperatura (ºC), e para a extração em banho de ultrassom (37 e 80 kHz): pH, tempo de ultrassom (min), temperatura (ºC) e amplitude da potência (%). Na segunda etapa, as variáveis com efeitos significativos (p < 0,05) de cada tipo de extração foram submetidas ao Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) 22 (quatro pontos axiais, três repetições no ponto central), totalizando 11 ensaios. As variáveis dependentes, resposta experimental e predita, foram expressas em g.100 mL-1 de extrato ± desvio padrão médio. Os efeitos foram validados pela Análise de Variância, por meio do software Statistica 8.0, sendo considerada a melhor condição de extração aquela com maior teor proteico e desta, obtido o concentrado. O teor de proteína bruta foi determinado por Kjeldahl e multiplicado por 5,95, e o rendimento, razão do conteúdo total da proteína no farelo de arroz pelo encontrado no CPFA. A cor do concentrado extraído por agitação e por ultrassom foi verificada por colorimetria instrumental e deste último método de extração, determinou-se a composição centesimal (%), minerais (µg.g-1), proteínas solúveis (%), capacidade de absorção de água e óleo (g de água.g-1 de amostra; g de óleo.g-1 de amostra), capacidade de formação de espuma (%), estabilidade da espuma (%), capacidade emulsificante (%), estabilidade da emulsão (%) e capacidade de formar gel, perfil de aminoácidos (g.100 g-1). A aplicabilidade foi verificada por avaliação sensorial de suco de caju (ordenação por preferência e aceitabilidade dos atributos: sabor, cor, aroma e impressão global). PRINCIPAIS RESULTADOS ─ A resposta ótima na extração alcalina com acompanhamento de agitação foi do teor de proteína de 48,53 % (b.s.), em pH 10, velocidade de agitação de 80 rpm, tempo de agitação de 300 min e temperatura de 45 ºC, representando o rendimento de 34,51% na extração. A interação entre as variáveis independentes pH, tempo de agitação e temperatura promoveram efeitos favoráveis para a técnica de extração das proteínas, enquanto que a velocidade de agitação não interfere de modo significativo. O planejamento experimental utilizado foi adequado para estudar os efeitos da associação da agitação mecânica ao processo de extração alcalina das proteínas do farelo de arroz. Nessas condições, o CPFA obtido apresentou forma de pó fino e textura aveludada, com valores de L* de 78,29 ± 0,95, a* -4,97 ± 0,05 e b* 16,51 ± 0,10 para a medida instrumental de cor. Quando se avaliou a extração alcalina associada ao banho ultrassônico, comparou-se o desempenho das frequências de 37 e 80 kHz, comprovou-se que na menor frequência houve maior extração. No ensaio com maior rendimento obteve-se um concentrado proteico com teor de proteína de 83,36% (b.s.), quando utilizado o pH 10, 30 min de ultrassom, 100% de amplitude da potência (30ºC) representando um rendimento de 4,74 % na extração. Portanto, a extração assistida pode ultrassom ser utilizada como um método alternativo para extrair proteínas do farelo de arroz, reduzindo o tempo de extração e consumindo menos energia. A EAU é uma técnica promissora e avançada para a extração de substâncias de interesse alimentar, oferecendo potencial para o desenvolvimento de novos produtos. O CPFA apresentou-se na forma cristalina com valores de L* de 60,42 ± 2,15, a* -1,31 ± 0,53 e b* 20,29 ± 1,39 para a medida instrumental de cor, observou-se menor solubilidade em pH 2, 3, 4 e 5, e maior solubilidade na faixa de pH 6 a 10. A capacidade de absorção de água e de óleo de 1,04 ± 0,07 g.g-1, e 11,75 ± 0,67 g.g-1, respectivamente, superior ao da referência Albumina Bovina Sérica (BSA). A maior quantidade de espuma formada ocorreu em pH 4 e 8 (41,17% ± 2,30; 48,47% ± 1,15) e menor em pH 6 (9,96% ± 0,00), porém a estabilidade das espumas formadas foi baixa em todos os pHs, e em ambos os casos, a BSA apresentou característica espumante superior. CPFA apresentou boa capacidade emulsificante em pH 2, 4, 6 e 8 (56,20% ± 5,39; 66,19% ± 6,57; 67,86% ± 0,19; 72,92% ± 2,95) comparáveis a BSA, mas emulsões menos estáveis em pH 2 (32,50% ± 3,54). Em temperatura de 30 ºC e 8 ºC, o CPFA apresentou baixa capacidade geleificante, com um gel frágil e pouco consistente. O perfil de aminoácidos do CPFA indicou a presença de ácido glutâmico, glicina, histidina, arginina, treonina, valina, metionina, isoleucina, leucina, fenilalanina e lisina, essenciais para a síntese das proteínas. O desempenho sensorial do CPFA foi avaliado em formulações de suco de caju adoçado contendo 0,1%; 0,3% e 0,5% de CPFA e ordenadas de acordo com a preferência de 60 provadores não treinados. Constatou-se que não houve diferença significativa entre as amostras (p > 0,05). Em função deste resultado, um teste de aceitação foi aplicado a 64 provadores não treinados, utilizando uma fórmula de suco de caju adoçado adicionada de 0,5% de CPFA e a Controle (sem CPFA). Verificou-se que houve diferença significativa (p < 0,05) entre as amostras nos atributos cor, sabor, aroma e impressão global. Os provadores gostaram moderadamente do Controle, mas foram indiferentes a fórmula com 0,5% de CPFA, uma vez que acentuou as características sensoriais do arroz ao suco de caju. O CPFA apresentou excelentes propriedades funcionais que o tornam um ingrediente promissor para a indústria alimentícia. / INTRODUCTION AND OBJECTIVES: Rice is the cereal most consumed in the world and during the processing, it is obtained the rice bran which represents 8% of the total weight of the grain. The defatted rice bran contains approximately 15% of protein of high nutritional value. The extraction techniques permit besides to extract, also to select and to separate substances. The extraction of rice bran proteins by alkaline medium is often used because they reach the maximum solubility in the pH and to assist in rupture of cell walls of a food. Mechanical and non-mechanical methods may be used. Mechanical stirring with the movement of liquid through rotating impellers assists in the disruption of the cell walls during extraction processes. The extraction assisted by the ultrasound (EAU) uses frequencies above 20 kHz to generate cavitation in liquids, which is the collapse of microbubbles of gas and vapor that occurs when the pressure changes in the middle are large enough to literally lacerate it under the influence of ultrasound. With this collapse, there is the cell disruption and the mass transfer to the environment. A rice bran protein concentrate (RBPC) should have good solubility, appropriate functional properties, acceptable sensory characteristics to be used as a food ingredient e to have essential amino acids. The objectives of this study were evaluate the effects of pH, temperature, speed of stirring, stirring time, time in ultrasonic bath and amplitude of the power in the extraction of rice bran protein, and analyzing the color, RBPC functionality (water and oil retention capacity, foaming, foam stability, emulsifying capacity, emulsion stability and gel formation), solubility, amino acid profile and its acceptability when applied in cashew juice. METHODS ─ It was verified the protein yield in three types of alkaline extraction: agitation, ultrasonic bath at 37 kHz and ultrasonic bath at 80 kHz. As a first step, it was applied the Fractional Factorial Planning 24-1 (with two levels, three replicates in the central point), totaling 11 trials, with the independent variables for extraction with stirring: pH, agitation time (min), speed stirring (rpm) and temperature (°C) and for the extraction in an ultrasound bath (37 and 80 kHz): pH, ultrasound time (min) temperature (°C) and power range (%). In the second stage, the variables with significant effects (p < 0.05) of each type of extraction were subjected to Design Central Composite Rotational (DCCR) 22 (four axial points, three repetitions at the central point), totaling 11 trials. The dependent variables, the experimental and predicted response were expressed in g.100 mL-1 extract ± average standard deviation. The effects were validated by analysis of variance, using software Statistica 8.0, being considered the best extraction condition one with the highest protein content and thus, obtained the concentrate. The crude protein content was determined by Kjeldahl and multiplied by 5.95. The yield was calculated as the ratio of the total content of protein in rice bran by the one found in the RBPC. The color of the concentrate extracted by stirring and by ultrasound was checked by instrumental colorimetry and from the latter extraction method, it was determined the chemical composition (%), minerals (μg.g-1), soluble protein (%), water and oil retention capacity (g water.g-1 sample; g oil.g-1 sample), foaming capacity (%), foam stability (%), emulsifying capacity (%), stability of emulsion (%), ability to form gel and amino acid profile (g.100 g-1). The applicability was checked by sensory evaluation of cashew juice (preference and acceptability of attributes as taste, color, smell and global impression). MAIN RESULTS ─ The optimal response in the alkaline extraction with monitoring of stirring was of 48.53% protein (DB), at pH 10, stirring speed of 80 rpm, stirring time of 300 min and temperature of 45 °C, representing the yield of 34.51% in extraction. The interaction between the independent variables as pH, stirring time and temperature promoted favorable effects on protein extraction technique while the stirring speed does not interfere significantly. The experimental planning used was adequate to study the effects of the combination of mechanical stirring to alkaline extraction process of rice bran protein. Under these conditions, RBPC obtained presented as a fine powder and velvety texture, with values of L* 78.29 ± 0.95, a* -4.97 ± 0.05 and b* 16.51 ± 0.10 for the instrumental color measurement. When assessing the alkaline extraction associated with the ultrasonic bath, it was compared the performance of the frequencies of 37 and 80 kHz, and it was proved that the lower frequencies have shown higher extraction. In the test with increased yield obtained a protein concentrate with a protein content of 83.36% (DB), when used pH 10, 30 min of ultrasound, 100% power range (30 °C), representing a yield of 4,74% extraction. Therefore, the UAE can be used as an alternative method for extracting rice bran protein, reducing the extraction time and consuming less power. UAE is a promising and advanced technique for extracting substances from food interest, offering potential for the development of new products. The RBPC presented in the crystalline form with values L* 60.42 ± 2.15, a* -1.31 ± 0.53 and b*20.29 ± 1.39 for instrumental measurement of color. It was observed a lower solubility at pH 2, 3, 4 and 5, but greater solubility in the pH range 6 to 10. The water and oil absorption capacity was 1.04 ± 0.07 g.g-1 and 11.75% ± 0.67 g.g-1, respectively, higher to reference Bovine Serum Albumin (BSA). The greater amount of foam was formed in pH 4 and 8 (41.17% ± 2.30, 48.47% ± 1.15) and lower at pH 6 (9.96% ± 0.00), but the stability of the formed foam was low at all pHs and in both cases, and BSA showed higher foaming characteristics. RBPC showed good emulsifying capacity at pH 2, 4, 6 and 8 (56.20% ± 5.39, 66.19% ± 6.57, 67.86% ± 0.19, 72.92% ± 2.95) comparable to BSA, but less stable emulsions at pH 2 (32.50% ± 3.54). In temperature of 30 °C and 8 °C, the RBPC showed low gelling capacity with a fragile gel and little consistent. The amino acid profile of the RBPC presented good amounts of glutamic acid, glycine, histidine, arginine, threonine, valine, methionine, isoleucine, leucine, phenylalanine and lysine, essential for protein synthesis. The sensory performance of the RBPC was evaluated in formulations of sweetened cashew juice containing 0.1%; 0.3% and 0.5% RBPC and ordered according to the preference of 60 untrained panelists. It was observed that there was no significant difference between the samples (p > 0.05). Due to this result, an acceptance test was applied to 64 untrained panelists using a formula of sweetened cashew juice added with 0.5% of RBPC and the control formula (without RBPC). It was found that there was a significant difference (p < 0.05) between samples in attributes as taste, color, smell and overall impression. Tasters liked moderately the control formula, but were indifferent to the formula with 0.5% RBPC because the sensory characteristics of the rice were accentuated. The RBPC presented excellent functional properties that make it a promising ingredient for the food industry. / 5000

O uso de comportas ou válvulas em condutos para efetuar o controle de fluxo em estruturas hidráulicas é bastante usual. Uma das aplicações deste tipo de dispositivo de controle de vazões é para fazer o enchimento e esvaziamento de câmaras de eclusas de navegação. Entretanto, a sua aplicação deve ser feita com cuidado em função da complexidade do escoamento, o qual pode apresentar grandes variações de velocidade e pressões junto à base e ao teto da galeria a jusante da comporta. O gradiente de pressão pode variar no tempo e no espaço podendo vir a ocasionar danos por erosão (desgaste) e/ou cavitação. Assim, torna-se fundamental obter critérios para a estimativa de previsão do valor dessas pressões para, então, poder inferir a possibilidade de danos junto à superfície sólida, permitindo que se determinem as condições críticas de operação que devem ser evitadas ou minimizadas durante as operações de esvaziamento ou de enchimento da câmara da eclusa. Esta pesquisa procura apresentar o estado da arte em relação à distribuição longitudinal das pressões a jusante de comportas tipo segmento invertida e os resultados e análises desenvolvidas em um modelo físico de laboratório. Estes estudos permitiram compreender o comportamento das pressões e verificar se o método sugerido por Batistton (2013), para estimar os valores da distribuição longitudinal das pressões junto à base e o teto da galeria a jusante da comporta, podem ser aplicados para todas as aberturas da comporta. As análises desenvolvidas consentiram observar que as situações críticas ocorrem para aberturas entre 40% e 60% e que as pressões mínimas ocorrem em uma distância adimensional ( ) em torno de 2 a 6. Destaca-se que todos os resultados apresentados na presente pesquisa são válidos para coeficiente de pressão média para abertura de 100% da comporta, CP* 100%, entre 2,8 e 65,9. / The practice of using of gates or valves in conduits to control the flow in hydraulic structures is a common one. One of the applications for this type of device is the flow control for filling and emptying navigation locks. However proper care should be taken when applying those due to the inherit complexity of the flows, which can present significant pressure and velocity fluctuation in the regions next to the floor and ceiling downstream of these gates. Fluctuations in the pressure gradients can cause damage by erosion and/or cavitation. For these reasons its of interest the understanding of criteria for the estimative of those pressures to then infer the possibility of damage in the solid boundaries, allowing the determination of critical operation conditions which to avoid or minimize during the emptying and filling operations of lock chambers. This research aims to present the state of art regarding the longitudinal pressure distribution downstream of inverted tainter gates and the results of experimental data obtained in a physical model. These study allowed to comprehend the behavior of the aforementioned pressures and to verify the method proposed by Battiston (2013) to estimate longitudinal pressure distributions next to the ceiling and floor of those types of structures. The developed analysis showed that the critical conditions occur in between the 40% and 60% opening and that the minimum pressures occur in between a dimensionless distance (Ladm) 2 and 6. The presented results are valid for a mean pressure coefficient of 100% gate opening, CP*100%, between 2,81 and 65,9.