[pt] Uma célula PEM (membrana de troca de prótons) de 5 kW com reformador foi instalada na PUC-Rio tendo como objetivo a determinação experimental de seu desempenho e de seu potencial de cogeração para aumentar o uso da energia química do combustível. A unidade utiliza um processador de combustível para converter energia do gás natural em um reformado rico em hidrogênio. A célula é totalmente instrumentada fornecendo dados para o cálculo da eficiência global do sistema (eficiência total), eficiência do reformador, eficiência da pilha, eficiência de conversão (DC/AC) e o potencial de cogeração. Este estudo detalha as equações teóricas necessárias para calcular os parâmetros, os conceitos termodinâmicos e eletroquímicos, e experimentalmente, os balanços de massa e energia, comparando os resultados. Foram obtidos dados no regime permanente resultando em eficiências do reformador, da pilha, de conversão e global, junto com os desvios padrões calculados. Também foi comprovado que a energia perdida no reformador e na pilha é praticamente a mesma. Foi mostrado que as degradações de desempenho do reformador e da pilha reduzem a vida útil da célula do conjunto, que também tem uma eficiência abaixo do que foi indicado pelo fabricante. O potencial de aproveitamento da energia química do combustível foi estimado através do cálculo do calor rejeitado pela pilha e através do calor rejeitado pelo reformador dando um valor de 71,3 %. / [en] A 5 kW proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) with a reformer has been installed and tested at the Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro (PUC-Rio), Brazil, aiming the experimental determination of its performance and co-generation potential to increase the fuel chemical energy usage. The unit uses a fuel processor to convert energy from natural gas into hydrogen rich reformate. The fuel cell is totally instrumented, supplying data for calculating the overall system efficiency (total efficiency), reformer efficiency, stack efficiency, conversion efficiency (DC/AC), and co- generation potential, at previously set up output powers of 2,5 kW. This study details the equations required for calculating the parameters, both theoretically, from thermodynamics and electrochemics points of view, and experimentally, from mass and energy balances, comparing the results. Steady state data were taken, resulting in reformer, stack, conversion and total average efficiencies, together with the calculated standard deviation. It was also found that the energy loss in the reformer and in the stack are approximately the same. It was also showed that the reformer and stack degradation reduce the system life, which also has an efficiency lower what is stated by the manufacturer. The fuel chemical energy usage potential was estimated by calculating the heat rejected by the stack and the heat rejected in the reformer, giving a value of 71,3%.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta pesquisa foram estudados os efeitos de aditivos químicos no processo de cimentação de rejeitos radioativos. Estes aditivos são utilizados para melhorar propriedades da pasta e do produto solidificado contendo estes rejeitos. Há uma grande variedade destes materiais no mercado, porém eles são frequentemente alterados ou simplesmente excluídos, portanto é essencial conhecer os aditivos disponíveis comercialmente e seus efeitos. Os testes foram realizados com uma solução simulando os rejeitos do concentrado do evaporador gerado em reatores nucleares do tipo PWR (Pressurized Water Reactor). Para a sua cimentação foram utilizadas duas formulações, A e C, incorporando-se maior ou menor quantidade de rejeito, respectivamente. Acrescentaram-se aditivos químicos de dois fabricantes diferentes (S e H), sendo eles: aceleradores e retardadores de pega e superfluidificantes. Os experimentos foram organizados seguindo o planejamento fatorial 23 para quantificar os efeitos das formulações, dos aditivos, de suas quantidades e de seus fabricantes nas propriedades da pasta e do produto cimentado. Os parâmetros avaliados foram: a viscosidade, o tempo de pega, as densidades da pasta e do produto e a resistência à compressão. Os superfluidificantes forneceram os melhores resultados de viscosidade (trabalhabilidade), densidade e tempo de pega. Os aceleradores de pega apresentaram os maiores valores de resistência à compressão, aos 28 dias de idade, e os menores valores de densidade. Para o parâmetro tempo de pega, o uso destes aceleradores e retardadores de pega seria recomendado somente para casos específicos. Todos os resultados de resistência à compressão atenderam aos requisitos dos órgãos reguladores, com exceção da mistura com a menor quantidade de superfluidificante do fabricante S. A utilização do superfluidificante permite a cimentação em sistemas de misturas mais simples e de menor custo, diferentemente do uso de retardador e acelerador de pega que necessitam de sistemas de mistura específicos. Apresentam pastas mais homogêneas e maior qualidade dos produtos solidificados. Os maiores valores de densidade foram obtidos utilizando o Superfluidificante, pois o seu uso tornou a pasta mais fluída e com melhor trabalhabilidade, diminuindo assim o aparecimento de poros e imperfeições. De modo geral, o uso do superfluidificante apresentou melhores resultados nos parâmetros avaliados. / In this research it has been studied the effects of chemical admixtures in the cementation process of radioactive wastes. These additives are used to improve the properties of waste cementation process, both of the paste and of the solidified product. However there are a large variety of these materials that are frequently changed or taken out of the market. Then it is essential to know the commercially available materials and their effects. The tests were carried out with a solution simulating the evaporator concentrate waste coming from PWR nuclear reactors (Pressurized Water Reactor). It was cemented using two formulations, A and C, incorporating higher or lower amount of waste, respectively. It was added chemical admixtures from two different manufacturers (S and H), which were: accelerators, set retarders and superplasticizers. The experiments were organized by a factorial design 23 to quantify the effects of formulations, admixtures, their quantity and manufacturer in properties of the paste and products. The measured parameters were: the viscosity, the setting time, the paste and product density and the compressive strength. The superplasticizers provided the best results of viscosity (workability), density and setting time. The accelerators showed the highest values of compressive strength, at age of 28 days, and the lowest values of density. In relation to the setting time, set retarders and accelerators would be recommended only for specific cases. All results of compressive strength met the requirements of regulators, except for the mixture with the lower amount of superplasticizers from the manufacturer S. The use of superplasticizers allows the cementation systems of mixtures simpler and lower cost, differently from the use of set retarders and accelerators which require particular mixing systems. Presented paste more homogeneous and better quality products solidified. The highest density values were obtained using Superfluidificante, since their use became more fluid and the pastes with better workability, thereby reducing the appearance of pores and imperfections. In general, the use of superfluidificante showed better results in all evaluated parameters.

Orientador: Kléber Pereira Lanças / Banca: Edmilson Renato Silva Ruiz / Banca: Marcelo de Almeida Silva / Resumo: A cana-de-açúcar (Saccharum spp.) se destaca como uma das principais culturas do agronegócio brasileiro. A colheita mecanizada dessa cultura se faz necessária, atualmente, em função de leis ambientais. Com a mecanização da colheita de cana-de-açúcar, sem a necessária adaptação do canavial surgiram fatores adversos à utilização desta técnica, pelo elevado custo e baixa qualidade da colheita; porém, essas questões estão sendo estudadas e resolvidas melhorando, gradativamente, sua eficiência operacional. Este trabalho teve por objetivo avaliar o desempenho operacional e energético de uma colhedora de cana-de-açúcar variando a velocidade de deslocamento e a rotação do extrator primário e a influência dessas variáveis na qualidade da colheita, obtidas através das avaliações de perdas e impurezas vegetais após a colheita. O experimento foi conduzido em um canavial colhido sem queima prévia, sendo a cana-de-açúcar da variedade CTC 15, em seu primeiro estágio de corte e com porte classificado como ereto. O espaçamento entre fileiras foi de 1,5m e a produtividade agrícola média da cultura de 92,5 t ha-1. A colhedora de cana-de-açúcar utilizada foi a de uma linha, operando em três velocidades de deslocamento, sendo V1 (3,0 km h-1), a velocidade V2 (5,0 km h-1) e V3 (7,0 km h-1). Foram utilizadas duas rotações do extrator primário, sendo a R1 de 700rpm e R2 de 1000rpm. Quanto maior a velocidade de deslocamento da colhedora de cana-de-açúcar e a rotação do extrator primário maiores são a capacidade de campo efetiva e o consumo horário efetivo de combustível. A maior rotação do extrator primário (1000 rpm), apresenta níveis médios (4 a 6%) de impurezas vegetais, enquanto a menor rotação do extrator primário (700 rpm) levou a níveis altos (>7%). A altura de corte e os danos as soqueiras e o índice de fissura dos rebolos ... / Abstract: The sugarcane (Saccharum spp.) stands out as one of the main crops of Brazilian agribusiness. The mechanized harvest of sugarcane culture is necessary, now, in accordance with environmental laws. With the mechanization of sugarcane harvesting emerged adverse factors using this technique, the high cost and low quality of the harvest; however, these issues are being studied and resolved improving gradually operational efficiency. This study aimed to evaluate the operational performance and energy of a harvester sugarcane varying the travel speed and the rotation of the primary extractor, and the influence of these variables on the quality of the harvest, obtained through the evaluations of losses and impurities vegetables after harvesting. The experiment was conducted in a sugarcane harvested area without burning, and the sugarcane variety CTC 15, in its first cutting stage and postage classified as erect. The spacing between rows was 1.5 m and the average agricultural crop yield was 92,5 t ha-1. The harvester sugarcane used was one line, operating in three shift speeds, in the speed V1 (3,0 km h-1), V2 (5,0 km h-1) and V3 (7,0 km h-1). Two rotations of the primary extractor was used, R1 (700 rpm) and R2 (1000 rpm). The higher the speed of displacement of sugarcane and the rotation of the larger primary puller harvester are the effective field capacity and the actual fuel consumption per hour. The greater rotation of the primary extractor (1000 rpm), with average levels (4 to 6%) of vegetal impurities, while the smaller rotation of the primary extractor (700 rpm) led to high levels (> 7%). The cutting height of the stumps and damage and the crack of the grinding wheel index were higher ... / Mestre

[pt] O elemento combustível de um reator do tipo LMFBR consiste em um feixe de barras de arranjo triangular com espaçadores helicoidais entre os quais é bombeado o refrigerante. Neste trabalho, utilizando-se de tal elemento combustível composto de sete barras com espaçadores helicoidais acoplado a um circuito de ar foi simulado o comportamento hidrodinamico do escoamento. Uma série de medidas foram efetuadas para se obter as distribuições da pressão estática e da tensão cisalhante na superfície das barras, para diferentes números de Reynolds, variando-se a posição axial e angular, em um passo da helicoidal. Dos resultados obtidos, observou-se a existência de zonas de baixa pressão na superfície das barras, assim como a não dependência da tensão cisalhante adimensionalizada pela tensão média em função do número de Reynolds. Observou-se, ainda, variações bruscas na distribuição da pressão estática e da tensão cisalhante, que devem ser levadas em considreação no projeto termo-hidráulico devido a possibilidade de ocorrência de bolhas de cavitação no refrigerante. / [en] The fuel element of a LMFBR reactor consists of a wire wrapped rod bundle with triangular array with the coolant flowing in the space between the rods. In this work, using this type of element with seven rods connected to an air open loope, it was simulated the hydrodinamic behavior of the flow. Several measurements were performed in order to obtain the static pressure and the rods wall shear stress distributions, for different Reynolds numbers and different axial and angular positions in a wire wrap lead. From the obtained results, it was observed the existence of low pressure zones on the surface of the rods, as well as the non-dependency on the Reynolds number of the wall shear stress distribuition non-dimensinalized by its average value. Yet, it was observed abrupt variations in the static pressure and wall shear stress distributions which should be taken into account in the thermalhydraulic design due to the possibility of accurance of cavitation bubbles in the coolant.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2011 / Made available in DSpace on 2012-10-25T22:32:59Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / As células a combustível são dispositivos de conversão de energia capazes de operar com altas eficiencias gerando uma quantidade mínima de efluentes. Neste contexto, são apontadas como possíveis substitutas para os atuais geradores de pequeno e médio porte. Apesar de se ncontrar em um estágio tecnológico muito avançado, o uso de células a combustível em larga escala ainda é limitado devido à uma série de dificuldades de construção e operação. No caso das células com membrana de troca de prótons (PEMFCs), uma das principais dificuldades é o gerenciamento de água no interior da célula, pois para que a membrana possua uma alta condutividade ionica é necessário que uma grande quantidade de água esteja presente, porém, esta água pode condensar e bloquear os poros que permitem o acesso dos reagentes ao catalisador. Neste trabalho, utilizou-se um modelo matemático baseado em técnicas de fluido dinâmica computacional para avaliar a geração e o transporte de água no interior de uma PEMFC. Considerou-se dois casos distintos, sendo no primeiro alimentado ar úmido saturado ao cátodo e no segundo oxigênio puro saturado com água. Os dois casos foram validados através da comparação com dados experimentais apresentados na literatura. No primeiro caso, observou-se uma grande perda de desempenho para baixas tensões de operação devido à escassez de oxigênio na camada de catalisador. No segundo caso, onde uma quantidade muito maior de oxigenio ´e fornecida, este fen#omeno n#ao foi observado, de modo que a forma como a ´agua gerada ´e distribu´ýda varia significativamente entre os casos. Atrav´es dos resultados obtidos, determinou-se as taxas de consumo de reagentes e de forma¸c#ao e distribui¸c#ao de ´agua l´ýquida, sendo estes dados importantes para o desenvolvimento de sistemas de gera¸c#ao de energia utilizando c´elulas a combust´ývel. Al´em disso, as distribui¸c#oes de concentra¸c#ao e temperatura s#ao apresentados para diversos valores de temperatura e tens#ao de opera¸c#ao, atrav´es dos quais observou-se que a forma predominante de polariza¸c#ao afeta diretamente a distribui¸c#ao de energia e massa no interior da c´elula. Utilizando os resultados de forma¸c#ao de ´agua l´ýquida como condi¸c#ao de contorno, empregou-se o m´etodo de volume de fluido para avaliar a forma¸c#ao e o transporte de gotas de ´agua nos canais de escoamento. Em nenhum dos casos avaliados observou-se um grande ac´umulo de ´agua nos canais, por´em, pequenas regi#oes formadas pela coalescencia de diversas gotas surgiram na interface entre o canal e a camada de difus#ao, bloqueando o acesso dos reagentes a alguns poros. Al´em disso, o di#ametro m´edio dos poros mostrou-se um importante par#ametro na din#amica de forma¸c#ao e transporte das gotas. / Fuel cells are energy conversion devices with the ability to operate efficiently and generate a minimum amount of byproducts. In this way, they are considered as possible and viable substitutes for small and medium generators used today, based mostly in the burn of fossil fuel. Despite the advanced technologic level achieved in the last years, the large-scale use of fuel cells is still limited by many construction and operation difficulties. For the proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) one of the main hindrance is the water management, since the electrolyte membrane needs a large amount of water inside the cell to have a high ionic conductivity and a over-saturation condition can induce to the pore blockage and restrict the reactant acesso to the catalatic layer. In this study, a mathematical model based on computational fluid dynamic technics was used to investigate the generation and transport of water inside a PEMFC, considering two different cases. In the first case, ambient air is fed to the cathode, while in the second case pure oxygen is fed. Both cases are validated by the comparison with experimental data found in literature. For the air-fed fuel cell a great performance loss is observed for small voltages due to the lack of oxygen at the catalatic layer. For the oxygen-fed cell this state is not observed, since a much larger amount of oxygen is provided to the system. Using the obtained results the reactant consume and liquid water generation rate and distribution were determined, configuring important data for the development of energy generation systems using fuel cells. Furthermore, the temperature and species concentration profiles are shown for several operation temperature and voltage values, from which can be determined that the predominant polarization form affects directly the energy and mass distribution. Using the results for liquid water generation as boundary condition, the Volume of Fluid method was used to evaluate the liquid droplets formation and transport along the flow channel. A large water accumulation was not observed in the cases considered, but small flooded regions, generated by the coalescence of many droplets, was observed at the flow channel - gas diffusion layer interface, causing the blockage of some pores. Moreover, the average pore diameter proved to be a key parameter in the dynamics of droplets generation and transport.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-22T20:24:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 233941.pdf: 3981296 bytes, checksum: 49aceaf6ff8489e06d1794df73338957 (MD5) / Este trabalho apresenta o projeto de um sistema de interligação entre módulos geradores de energia utilizando células a combustível (CaCs) e um estágio acumulador de energia formado por um banco de baterias. Alimentadas com hidrogênio, as CaCs operam de forma limpa e sem emissão de poluentes, representando uma tecnologia promissora. Inicialmente é mostrado um estudo de CaCs e de baterias com princípio de funcionamento, características elétricas e modelos utilizados para cada um desses elementos. Após isso, é apresentada a análise de um conversor proposto para essa aplicação, o conversor CC-CC do tipo Boost. O projeto desse conversor leva em conta aspectos de CaCs e de baterias. Além disso, fazem parte deste trabalho a modelagem do conversor considerando parâmetros da CaC e validação através de simulação. Por fim, são apresentados resultados de simulação do sistema completo e em seguida os resultados dos ensaios de laboratório obtidos com a implementação prática de um protótipo. This work presents a design of an interconnection system between energy generator modules using fuel cells (FCs) and an energy storage stage formed by a battery bank. FCs, which are supplied by hydrogen, present clean operation without pollutant emissons, representing a promising technology. First, a study of FCs and batteries is shown with operating principles, electrical characteristics and models used for each one of these elements. Second, the analysis of the proposed converter for this application, the Boost DC-DC converter, is presented. The design of this converter takes into account aspects of FCs and batteries. In addition, converter modelling considering parameters of the FC and validation using simulation are also a part of this work. Finally, simulation results of the complete system are presented, followed by laboratory test results obtained by a practical implementation of a prototype.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Agroecossistemas, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T21:19:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 332311.pdf: 1512087 bytes, checksum: db95dea7ac4abf612dd7fdfa57f576f3 (MD5) Previous issue date: 2014 / Nas regiões tropicais e subtropicais, boa parte das florestas secundárias ainda faz parte do ciclo tradicional de cultivo roça de toco (slash-and-burn), composto por derruba e queima da vegetação arbórea, cultivo de plantas alimentícias por um intervalo curto de tempo e pousio que permite o retorno da vegetação florestal chamada de secundária. Utilizar florestas secundárias pode ser uma escolha importante para diminuir a pressão sobre florestas maduras, disponibilizando produtos necessários para a humanidade, conservando as áreas florestadas. Porém, análises recentes mostram que o ciclo da roça de toco tem sido alterado devido às restrições de uso da floresta pela legislação ambiental e com isso, provocado a conversão da paisagem florestal em outros usos da terra de menor biodiversidade, como eucaliptais e pastagem. Neste trabalho objetivamos quantificar possíveis usos da madeira, em áreas submetidas à roça de toco, para móveis, construção civil interna, lenha e obra externa, a partir de 69 parcelas de 10m x 20m em Biguaçu - SC, nas principais coberturas arbóreas da região, sendo: mata nativa, eucaliptal e bracatingal, ao longo de um gradiente de idades que representa o pousio agrícola. Em produção de volume de madeira, o eucaliptal superou as demais vegetações para todos os usos analisados, porém não há consenso científico sobre a qualidade da madeira de Eucalyptus grandis para usos mais nobres como móveis e o plantio de uma única espécie pode comprometer a manutenção de alguns serviços ecossistêmicos. A mata nativa apresentou alta variabilidade de volume, especialmente entre 30 e 70 anos de idade, que pode ser um indicativo de um alto potencial para manejo, favorecendo espécies nativas de rápido crescimento e com madeira de qualidade. A análise de variância para a produção de lenha, atual destino da madeira nas comunidades estudadas, com corte compreendido entre 8 a 11 anos, mostrou que o bracatingal e a mata nativa tiveram iguais volumes produzidos e, equivalentes a 35% do volume no eucaliptal. O número de espécies arbóreas que servem para mais de um uso na mata nativa foi 18, seguido do eucaliptal, com 12, e do bracatingal, com 9 espécies. Concluímos que há um potencial de usos diversificados da madeira em áreas de floresta secundária, atualmente subaproveitado, que podem complementar a renda do agricultor familiar e incentivá-lo a usar outros produtos provenientes da floresta, para venda ou consumo interno, promovendo a conservação pelo uso.<br> / Abstract : In tropical and subtropical regions, most of the secondary forests are still part of the traditional cycle of agriculture known as slash-and-burn, which comprises the cutting and burning of woody vegetation, cultivation of food crops for a short interval of time and a subsequent forest fallow. Using these secondary forests can be an important choice to reduce the pressure on mature forests by providing necessary products for humanity from forested areas. However, recent analyses show that the slash-and-burn cycle has been changed due to forest use restrictions by the environmental legislation and consequently caused the conversion of forest landscape in other land uses with lower biodiversity, such as eucalypt plantations or pasture. Here we estimated timber volumes of four potential uses (furniture, firewood, external and internal civil construction) in 69 slash-and-burn plots of 10m x 20m in Biguaçu-SC, Southern Brazil, in the main tree-dominated land covers in the region: native secondary forest, eucalypt plantations and bracatinga (Mimosa scabrella) stands along a gradient of ages representing the agricultural fallow. In volume production, the eucalypt plantations surpassed other vegetation types for all uses analyzed. However, there is no scientific consensus about the quality of Eucalyptus grandis timber for more noble uses such as furniture and the planting of a single species can affect the maintenance of other ecosystem services. We found high variability of timber volumes in the native forests, especially between 30 and 70 years of age. This may indicate high potential for management to favor fast-growing high-quality timber species. Analysis of variance of the production of firewood at 8 to 11 years of age, the wood use currently employed by the communities studied, showed that the bracatinga stands and the native forests had produced equal wood volumes, which were equivalent to 35% of firewood volumes in the eucalypt plantations. The number of tree species that serve more than one use in native forest was 18, followed by eucalypt with 12 species and bracatinga stands with 9 species. We conclude that there is a potential for management for diversified wood uses in the currently underused secondary forests, to supplement family farmers? income and encourage the sustained utilization of other forest products for sale and domestic consumption, thereby promoting conservation through sustainable use.

[pt] A solução do problema do descarte dos rejeitos de alta radioatividade é um dos problemas mais sérios para a indústria nuclear, em nossos dias. Para assegurar que os rejeitos nucleares nunca alcançarão a biosfera, os pesquisadores de vários laboratórios estão trabalhando num conceito de barreiras múltiplas, destinado a evitar que as águas subterrâneas e a corrosão comprometam o confinamento dos rejeitos. Em primeiro lugar, os rejeitos do reprocessamento são solidificados e fundidos em cilindros de vidro, cerâmicos ou rocha sintética, dentro de moldes de aço inoxidável, que podem ser incorporados em blocos de concreto. Estes blocos devem ser isolados da biosfera por, pelo menos, 10.000 anos. Isolar blocos em depósitos subterrâneos, parece ser o melhor compromisso entre segurança e viabilidade prática, pois esta é a única tecnologia já dominada e disponível no futuro próximo. Existe tecnologia para escavar poços, abrir cavidades, avaliar condições geológicas e hidrológicas, etc., mas ainda há muitas questões a serem esclarecidas, tais como a estabilidade, sob radiação, a prazos muito longos, dos rejeitos e seus acondicionamentos, as interações entre os rejeitos e a formação geológica, e os efeitos a longo prazo do fluxo de calor sobre a estrutura das rochas. Por conseguinte, é necessário que se iniciem as investigações para selecionar locais potencialmente adequados para a construção de cavernas, destinadas ao descarte de rejeitos, a fim de que se possa iniciar logo alguns projetos de demonstração, pois, atualmente, milhares de toneladas de combustível irradiado, retirado de reatores comerciais em diversos países, aguardam uma solução segura para o problema do descarte. Para projetar uma instalação subterrânea de descarte é necessário avaliar o impacto do calor gerado pelos rejeitos de alto nível, sobre a rocha circundante. Para isso, deve-se conhecer a evolução das temperaturas nesse meio. Na última secção desta monografia, desenvolve-se um método para determinar o campo de transientes temperaturas, em torno de uma instalação desse tipo. / [en] Resolving the high-level waste disposal question is one of the most serious problemas facing the nuclear industry today. To guarantee that nuclear waste never reaches the biosphere, researchers in several laboratories are devising a multiple-barriers concept, to prevent groundwater and corrosion from disturbing the waste disposal site. First, the waste is fused with glass, ceramic or synthetic rock into large cylindrical blocks sealed in stainless-stell canisters, which can be embodied in concrete blocks. Then the blocks are to be isolated for at least 10.000 years. To isolate the blocks by storing them in geologic formations seems to be the best compromise between safety and feasibility, as this is the only technology which will be available for the next several decades. The technology is available to drill holes, construct cavities, evaluate geological and hydroological conditions, etc., but there are still many questions to be answered, such as the very long-term stability of waste forms and its packaging under radiation, interations between waste and the geologic formation, and the long-term effects of heat flux on the geologic structures. Therefore, it is imperative that the necessary investigations move ahead, to select potential disposal sites in geologic formations, in order to start demonstration projects at these sites without further delay, because today there are allready thounsand of tons of spent fuel from commercial reactors in several countries waiting for safe disposal. To design an underground disposal facility, it is necessary to evalute the impact of the heat generated by the high-level waste on the surrounding rock. The last section of this monograph presents a methodology for determining the temperature field arround such a facility.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Bioquímica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2016-01-15T14:39:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 320739.pdf: 18161133 bytes, checksum: 7d4c8c01f83361bab716cac3b65858fd (MD5) Previous issue date: 2013 / Leveduras Saccharomyces cerevisiae tem sido amplamente empregadas em diversos processos industriais como a produção de bebidas alcoólicas e etanol combustível graças à sua capacidade de fermentar açúcares eficientemente, mesmo em condições industriais. No Brasil, o etanol combustível é produzido a partir da fermentação do caldo de cana-de-açúcar ou melaço, contendo altas concentrações de sacarose. A principal via de utilização da sacarose pela levedura S. cerevisiae é através da hidrólise extracelular do açúcar, pela ação da enzima invertase extracelular (codificada pelos genes SUC), gerando monômeros de glicose mais frutose no meio de fermentação. Entretanto, a hidrólise extracelular do dissacarídeo é indesejada, pois contribui para incrementar o estresse osmótico das células, além de que os monossacarídeos liberados no meio podem servir de fonte de carbono para microrganismos contaminantes do processo fermentativo. Já foi descrito uma via alternativa de utilização da sacarose por S. cerevisiae, que consiste no transporte ativo deste dissacarídeo pelo simporte com H+ mediado pelo transportador AGT1, e posterior hidrólise intracelular pela ação de hidrolases como a invertase intracelular ou a-glicosidases. Esta via de utilização de sacarose é uma alternativa interessante, pois as células fermentariam a sacarose com maior eficiência para compensar o gasto energético do transporte do açúcar, gerando mais etanol. No presente trabalho, a levedura industrial diplóide CAT-1, isolada de dornas de fermentação, foi modificada genomicamente de forma a utilizar a sacarose somente por meio do transporte ativo e hidrólise intracelular. Para tal fim, foram construídas leveduras que expressassem constitutivamente a forma intracelular da invertase (PADH1::iSUC2) sem expressar a invertase extracelular (por exemplo através da deleção da segunda cópia do gene, suc2?), além da sobre-expressão do gene AGT1, característica indispensável para o funcionamento da via proposta. Com estas modificações inseridas nas leveduras industriais GMY08 e GMY15 foram obtidos incrementos na produção de etanol de aproximadamente 13%, redução de 50% na formação de glicerol, além de não haver o acúmulo de glicose e frutose no meio de fermentação. Para a aplicação direta das leveduras modificadas na indústria, foi necessário remover os marcadores heterólogos, submetendo as leveduras a diversos eventos de transformação e remoção de plasmídeos, que culminaram numa diminuição de 30% na atividade invertase intracelular. Por outro lado, a seleção de clones em meio rico contendo sacarose e antimicina A, fez com que a atividade de transporte de sacarose aumentasse 4 vezes em relação às linhagens parentais. Estas linhagens geneticamente modificadas sem marcadores (GMYwo) apresentaram um fenótipo de utilização lenta da sacarose, porém com um maior rendimento na conversão de substrato a etanol em relação a linhagem parental CAT-1. Também não foi observado secreção de glicerol, nem a presença de glicose e frutose extracelular. Estas leveduras geneticamente modificadas sem a presença de genes marcadores heterólogos poderão ser prontamente utilizadas para testes com mostos e condições industriais, como sistemas fermentativos de batelada alimentada com reciclo de células, contribuindo para aumentar a eficiência deste setor industrial.<br> / Abstract : Saccharomyces cerevisiae yeasts have been largely employed in various industrial processes such as production of alcoholic beverages or fuel ethanol due to their ability to ferment sugars efficiently, even under industrial conditions. In Brazil, fuel ethanol is produced from the fermentation of sugarcane juice or molasses, containing high concentrations of sucrose. The main pathway of sucrose utilization by S. cerevisiae yeasts is through extracellular hydrolysis of the sugar, by the action of the extracellular enzyme invertase (encoded by SUC genes), generating monomers of glucose plus fructose in the fermentation medium. However, the extracellular hydrolysis of the disaccharide is undesirable, since it contributes to increase the osmotic stress of cells, and the monosaccharides released into the medium can serve as carbon source for contaminant microorganisms of the fermentation process. An alternative pathway for sucrose utilization by S. cerevisiae has been described, involving the active transport of the disaccharide by H+ symport mediated by the AGT1 transporter, and subsequent intracellular hydrolysis by the action of hydrolases such as the intracellular invertase or a-glucosidase. This pathway of sucrose utilization is an interesting alternative, since the cells will ferment sucrose more efficiently to compensate the energy costs of transporting the sugar, producing more ethanol. In this study, the diploid industrial yeast CAT-1, isolated from fermentation vats, was genomically modified in order to utilize sucrose only by active transport and intracellular hydrolysis. To this end, yeasts were constructed that constitutively express the intracellular form of invertase (PADH1 :: iSUC2) without expressing the extracellular invertase (by deleting, for instance, the second copy of the gene, suc2?), besides over-expressing the AGT1 gene, an indispensable characteristic for the function of the proposed pathway. With these modifications inserted into the industrial yeasts GMY08 and GMY15 approximately 13% higher ethanol production levels were obtained, 50% reduction in the production of glycerol, besides no accumulation of glucose and fructose in the fermentation medium. For the direct application of the modified yeasts in industry, it was necessary to remove the heterologous markers by submitting the yeasts to several transformation events and removal of plasmids, which resulted in a 30% decrease in the intracellular invertase activity. Moreover, selection of clones in rich medium containing sucrose and antimycin A, allowed a four-fold increase in the sucrose transport activity compared to the parental strains. These genetically modified strains without markers (GMYwo) showed a slow sucrose utilization phenotype, although with higher substrate to ethanol conversion yields when compared to the parental strain CAT-1. It was also observed no secretion of glycerol, nor the presence of extracellular glucose and fructose. These genetically modified yeasts without the presence of heterologous gene markers can be readily used for testing musts and industrial conditions, such as fed-batch fermentation systems with cell recycle, contributing to increase the efficiency of this industrial sector.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas. Programa de Pós-Graduação em Química. / Made available in DSpace on 2012-10-26T09:37:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 302902.pdf: 1605989 bytes, checksum: b5865bedc64495f8c94683a0c3ab60b6 (MD5) / A concentração de metais e outros elementos no biodiesel, suas matérias-primas e co-produtos depende de vários fatores, incluindo o processo de produção utilizado. A presença destes elementos como contaminantes inorgânicos é um dos fatores que influenciam no processo produtivo, nas propriedades e, consequentemente, na qualidade do biodiesel. Atualmente, os diversos processos de produção do biodiesel, aliados a grande demanda de comercialização deste biocombustível, fazem com que as agências reguladoras que controlam a qualidade do biodiesel sejam cada vez mais rigorosas quanto à qualidade do produto comercializado. Neste trabalho, são propostas metodologias analíticas para a análise inorgânica do biodiesel, matérias-primas (sementes oleaginosas e óleos vegetais) e da glicerina. As metodologias foram desenvolvidas utilizando diferentes técnicas espectrométricas e procedimentos de preparo das amostras. Posteriormente, os métodos desenvolvidos foram aplicados para avaliação da estabilidade dos metais no biodiesel e para determinação de elementos em diferentes etapas do processo de produção do biodiesel. As metodologias foram propostas para a determinação de 19 elementos (Al, Ba, Ca, Cd, Co, Cu, Fe, Ga, K, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Rb, Sr e Zn) em sete diferentes sementes oleaginosas, utilizando as técnicas de ICP-MS e ICP-OES; para determinação de Ca, Cu, Fe, K, Mg, Na, Zn, P e S em óleos vegetais e biodiesel por ICP-OES, utilizando como procedimento de preparo das amostras a simples diluição em álcool (etanol ou 1-propanol) e para a determinação de Cr e Fe, utilizando ICP-DRC-MS. Além destas, foram avaliadas diferentes técnicas de calibração e modificadores para a determinação de Cd, Pb e Tl em biodiesel utilizando ET AAS. Para a glicerina, uma metodologia simples para a determinação de resíduos de catalisadores alcalinos (Na e K) utilizando F AES também foi desenvolvida. Todas as metodologias propostas foram simples e eficazes. A precisão de cada metodologia, avaliada através do desvio padrão relativo (RSD), assim como os limites de detecção (3s, n = 10) obtidos, foram adequados para as determinações. A verificação da exatidão para as metodologias propostas foi realizada através de testes de recuperação, comparação dos resultados entre diferentes técnicas analíticas e, quando possível, pela análise de material de referência certificado. A avaliação da estabilidade do Cu, Fe, Mn e Pb em diferentes amostras de biodiesel provenientes de diferentes fontes demonstrou que, nas condições estudadas, as concentrações destes metais foram estáveis por um período de 19 meses. Estes resultados de estabilidade podem ser importantes para o futuro desenvolvimento de novas amostras de referência com concentrações certificadas para elementos de interesse. As metodologias mostraram ser adequadas para o monitoramento da concentração dos elementos em diferentes etapas do processo de produção do biodiesel, possibilitando a identificação das possíveis fontes destes elementos e um maior controle de qualidade em todo o processo de produção do biodiesel. Observou-se que o óleo vegetal extraído com solvente apresentou maiores concentrações dos analitos do que o óleo extraído por prensagem e que a purificação é uma etapa importante para redução dos contaminantes. / Metals and other elements concentrations in biodiesel, its raw materials and co-products depend on several factors, including the production process adopted. The presence of these elements, as inorganic contaminants, may affect the biodiesel production process and its properties, and consequently, the quality of the fuel. The great variety of raw materials and of production processes, as its high, spread and increasing consumption, is leading to stricter conditions by the fuel quality control agencies. In this work, analytical methods for the determination for inorganic analysis of biodiesel, raw materials (oilseeds and vegetable oils) and glycerin, which is the main co-product resulting from the biodiesel production, are proposed. The methodologies were developed using different procedures for sample preparation and different atomic spectrometric techniques for element determination. Additionally, the methods proposed were applied to evaluate the stability of some metals in the biodiesel matrix and for the determination of trace and others elements in different steps of the biodiesel production process. Methods are proposed for the determination of 19 elements (Al, Ba, Ca, Cd, Co, Cu, Fe, Ga, K, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Rb, Sr and Zn) in seven different oilseeds, using ICP-MS and ICP-OES; for the determination of Ca, Cu, Fe, K, Mg, Na, Zn, P and S in vegetable oils and biodiesel by ICP -OES, using a simple dilution in alcohol (ethanol or 1-propanol), as sample preparation procedure and for the determination of Cr and Fe using ICP-DRC-MS. Moreover, different calibration techniques and modifiers were evaluated for the determination of Cd, Pb and Tl in biodiesel using ET AAS. A simple method for the determination of Na and K, as residues of the catalysts, in glycerin by F AES has also been developed. All proposed methods proved to be simple, accurate and precise for the determination of trace and other elements in the mentioned samples. The obtained limits of detection (3s, n = 10) were suitable for the intended analysis. The accuracy of the methods was evaluated by recovery tests, by comparing the results to the ones obtained using a different analytical technique and in, some cases, by the analysis of certified reference materials. The evaluation along the time of the concentrations of Cu, Fe, Mn and Pb in different samples of biodiesel obtained from different raw materials, has been shown that, under the applied conditions, the concentrations were stable within a period of 19 months. These results of metal stability in biodiesel samples may be important for the development of new reference samples with certified concentrations for elements of interest. The methodology has shown to be suitable for monitoring the concentrations of trace and other elements in different steps of the biodiesel production process, enabling the identification of possible sources of these elements and allowing a better understanding of the presence and fate of the inorganic contaminants throughout the production process. It was found that the oil chemically extracted from the seeds is richer in the studied elements than the oil extracted under pressure and that oil purification is important to reduce the contaminants concentrations.