Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos. / Made available in DSpace on 2012-10-20T04:49:44Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2014-09-26T02:52:31Z : No. of bitstreams: 1 184513.pdf: 20827284 bytes, checksum: 1d5072b0205ecdf5a08144e3e8d191ff (MD5) / O conhecimento de propriedades reológicas é de grande importância no processamento, manuseio, controle de qualidade e desenvolvimento de produtos alimentícios. Muitos alimentos apresentam comportamento não-newtoniano, onde a sua viscosidade pode variar com o tempo, além de ser função das condições de escoamento. Este é o caso do iogurte que apresenta uma estrutura em gel bastante complexa. Neste trabalho é feita a caracterização reológica de iogurtes comerciais, de diferentes marcas, sendo estudados produtos naturais, integrais e desnatados. Os estudos foram realizados em um reômetro de cilindros concêntricos, à temperatura de 60C, com taxas de deformação entre 0,02 s-1 e 524,88 s-1. Dados experimentais foram obtidos procurando-se analisar o comportamento da tensão de cisalhamento em função do tempo, sob a ação de diferentes taxas de deformação 58,33 s-1, 174,96 s-1 e 524,88 s-1, tanto para o produto integral quanto para o desnatado. Foram determinadas também as curvas de tixotropia para todas as amostras analisadas (integral e desnatado). O decaimento da tensão de cisalhamento com o tempo foi representado pelo modelo de Weltman, t = A1 - B1 ln t , que apresenta parâmetros representando a tensão no início do cisalhamento e a queda estrutural do produto. Quando o fluido sofreu cisalhamento por um período de tempo suficientemente longo, a sua viscosidade se aproximou de uma viscosidade de equilíbrio, sendo esta condição obtida no tempo de aproximadamente 60 minutos. As curvas ascendente e descendente da tensão de cisalhamento em função da taxa de deformação foram representadas pelo modelo da lei da potência (Ostwald-de Waele), que é independente do tempo, tendo os iogurtes apresentado o comportamento pseudoplástico, já relatado na literatura.

Este estudo foi motivado pela possibilidade de se empregar os conhecimentos da engenharia mecânica na solução de problemas de engenharia de alimentos por métodos numéricos, assim como pela utilização da dinâmica dos fluidos computacional (CFD) em mais um campo de pesquisa. A idéia básica foi a aplicação do método de elementos finitos na solução de problemas de escoamentos envolvendo mistura de diferentes componentes. Muitos alimentos apresentam-se como fluidos, e seu comportamento material pode ser newtoniano ou não newtoniano, às vezes descrito por relações constitutivas bastante complexas. Utilizou-se uma teoria de misturas apoiada nos conceitos de mecânica do contínuo para a modelagem mecânica do que se passou a considerar como um sistema multicomponente. Necessitou-se de uma detalhada revisão sobre os postulados clássicos da mecânica para que se pudesse recolocá-los, com alguma segurança e embasamento teórico, para sistemas multicomponentes. Tendo em mãos a modelagem do balanço de momentum e massa em sistemas multicomponentes, pôde-se aproximar estas equações através do método de elementos finitos. A literatura aponta que o método clássico de Galerkin não possui a eficiência necessária para a solução das equações de escoamento, que envolvem uma formulação mista onde se faz necessário tomar compatíveis os subespaços de velocidade e pressão, e também devido à natureza assimétrica da aceleração advectiva, o que também aparece como uma dificuldade na solução de problemas de advecçãodifusão, nos casos de advecção dominante. Assim, fez-se uso do método estabilizado tipo GLS, o qual supera as dificuldades enftentadas pelo método de Galerkin clássico em altos números de Reynolds, adicionando termos dependentes da malha, construídos de forma a aumentar a estabilidade da formulação de Galerkin original sem prejudicar sua consistência. Os resultados numéricos dividem-se em três categorias: problemas de transferência de quantidade de movimento para fluidos newtonianos, problemas de transferência de quantidade de movimento para fluidos com não linearidade material e problemas de advecção e difusão de massa em misturas. A comparação de algumas aproximações obtidas com as de outros autores se mostraram concordantes. A aproximação de problemas de fluidos segundo os modelos Carreau e Casson geraram os resultados esperados. A aproximação de um problema de injeção axial com mistura de dois fluidos produziu resultados coerentes, motivando a aplicação prática da aproximação por métodos estabilizados de problemas de misturas.

Este estudo foi motivado pela possibilidade de se empregar os conhecimentos da engenharia mecânica na solução de problemas de engenharia de alimentos por métodos numéricos, assim como pela utilização da dinâmica dos fluidos computacional (CFD) em mais um campo de pesquisa. A idéia básica foi a aplicação do método de elementos finitos na solução de problemas de escoamentos envolvendo mistura de diferentes componentes. Muitos alimentos apresentam-se como fluidos, e seu comportamento material pode ser newtoniano ou não newtoniano, às vezes descrito por relações constitutivas bastante complexas. Utilizou-se uma teoria de misturas apoiada nos conceitos de mecânica do contínuo para a modelagem mecânica do que se passou a considerar como um sistema multicomponente. Necessitou-se de uma detalhada revisão sobre os postulados clássicos da mecânica para que se pudesse recolocá-los, com alguma segurança e embasamento teórico, para sistemas multicomponentes. Tendo em mãos a modelagem do balanço de momentum e massa em sistemas multicomponentes, pôde-se aproximar estas equações através do método de elementos finitos. A literatura aponta que o método clássico de Galerkin não possui a eficiência necessária para a solução das equações de escoamento, que envolvem uma formulação mista onde se faz necessário tomar compatíveis os subespaços de velocidade e pressão, e também devido à natureza assimétrica da aceleração advectiva, o que também aparece como uma dificuldade na solução de problemas de advecçãodifusão, nos casos de advecção dominante. Assim, fez-se uso do método estabilizado tipo GLS, o qual supera as dificuldades enftentadas pelo método de Galerkin clássico em altos números de Reynolds, adicionando termos dependentes da malha, construídos de forma a aumentar a estabilidade da formulação de Galerkin original sem prejudicar sua consistência. Os resultados numéricos dividem-se em três categorias: problemas de transferência de quantidade de movimento para fluidos newtonianos, problemas de transferência de quantidade de movimento para fluidos com não linearidade material e problemas de advecção e difusão de massa em misturas. A comparação de algumas aproximações obtidas com as de outros autores se mostraram concordantes. A aproximação de problemas de fluidos segundo os modelos Carreau e Casson geraram os resultados esperados. A aproximação de um problema de injeção axial com mistura de dois fluidos produziu resultados coerentes, motivando a aplicação prática da aproximação por métodos estabilizados de problemas de misturas.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2016-09-20T04:00:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 340786.pdf: 2210420 bytes, checksum: e59935bda7840fd7e2962e9b511a8d21 (MD5) Previous issue date: 2016 / O morango (Fragaria x ananassa Duch.) é um fruto consumido mundialmente devido a sua cor, sabor atrativo e seu valor nutricional. Seu consumo é, principalmente, in natura porém também é encontrado em produtos derivados. Além disso, é considerado um alimento funcional devido a sua atividade biológica relacionada ao teor de compostos fenólicos e antocianinas. Um dos problemas na produção e distribuição do morango é a sua alta perecibilidade, relacionada aos altos valores de produção em determinadas épocas do ano. Esta elevada produção torna necessário o processamento de maneira a se reduzir as perdas pelo excesso de produção. Neste contexto, os processos de separação por membranas se mostram como uma alternativa para a produção de suco de morango com boa qualidade sensorial e nutricional. O objetivo deste trabalho foi concentrar os compostos fenólicos presentes no suco de morango utilizando-se membranas de microfiltração e nanofiltração. O suco foi extraído em centrífuga de alimentos e posteriormente concentrado por dois processos distintos: (1) somente nanofiltração (NF SN) e (2) processo conjugado de microfiltração e posterior nanofiltração (NF MF). Amostras de permeado e retido (concentrado) foram avaliadas quanto a cor, pH, compostos fenólicos totais (FT), atividade antioxidante pelos métodos de DPPH e ABTS e antocianinas totais (AT). A estabilidade dos compostos fenólicos durante o processamento foi monitorada pela análise de FT realizada em intervalos de 10 minutos. A partir dos resultados obtidos, observa-se que ambos os processos realizados, (1) NF SN e (2) NF MF apresentaram fluxo permeado em torno de 1 L.h-1.m-² no estado pseudo-estacionário. Ambos os processos estudados alcançaram valores de rejeição para os FT e AT superiores a 97%. Verificou-se, também, que os compostos fenólicos não sofreram degradação durante o processamento. Além disso, não foi observada redução da atividade antioxidante dos FT presentes no suco. Durante o processo de concentração, a principal resistência ao fluxo permeado foi a polarização por concentração para a NF. Por outro lado, para o processo de MF observou-se uma influência maior do fouling. Os modelos matemáticos utilizados para análise de fluxo permeado e bloqueio de poros se mostraram capazes de predizer a redução do fluxo permeado, com ajustes de modelo (R²) superiores a 0,97. Com exceção do concentrado do processo (1), que apresentou comportamento pseudoplástico, todas as demais frações (permeado e alimentação ? NF14SN; permeado, alimentação e concentrado ? NF MF) apresentaram comportamento Newtoniano. Todas as frações apresentaram bons ajustes aos modelos utilizados. Elevados valores de retenção de compostos fenólicos foram alcançados em ambos os processos. Os processos de separação por membranas se mostram alternativas promissoras para a produção de suco de morango concentrado com elevado valor nutricional.<br> / Abstract : Strawberry (Fragaria x ananassa Duch.) is a worldwide consumed fruit due to its attractive colour and flavour, in addition to its high nutritional value. The strawberry fruits are consumed in natura or as processed products, furthermore, they are considered functional foods due to their biological activity related to the content of anthocyanins and phenolic compounds. One problem of the production and distribution of strawberry is its high perishability related to the high production values at certain times of the year. In this context, the processing becomes necessary to reduce losses by excessive production. Membrane separation processes are one alternative for the strawberry juice production with high sensory and nutritional quality. The aim of this study was to concentrate phenolic compounds of strawberry juice using microfiltration and nanofiltration polymeric membranes. The juice was obtained on juicer and subsequently concentrated by two different processes: (1) only nanofiltration (NF) and (2) conjugate process microfiltration (MF) and nanofiltration. Samples of permeate and concentrate were evaluated regarding colour, pH, total phenolic compounds (FT), antioxidant activity by DPPH and ABTS methods and total anthocyanins (AT). The stability of the phenolic compounds during processing was monitored by FT analysis performed every 10 min for the concentrate and permeate. Both processes, (1) NF and (2) MF and NF presented pseudo stationary permeate flux around 1 L.h-1.m-². Both processes presented rejection values above 97%. The phenolic compounds did not showed degradation during the tested processes. Besides that, no reduction on antioxidant activity was observed in the strawberry juice. For the period of the concentration process, the main resistance to permeate flux was the polarization concentration to NF, in contrast to the MF process where larger influence of fouling was observed. The mathematical models used to analyse the permeate flux and pore blocking evidenced being capable to predict the reduction of permeate flux, with model fit (R²) greater than 0,97. Except concentrate of process (1) which presented pseudoplastic behaviour, all other fractions showed Newtonian behaviour. All fractions showed good fit to the rheological models. Considering these results, the processes present high rejection values for the phenolic compounds, which makes this process an alternative for the strawberry juice production with higher nutritional value.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2016-09-20T04:17:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 341136.pdf: 2868083 bytes, checksum: 1aa7910ecf1ffe60d5d462e0d7a16b75 (MD5) Previous issue date: 2016 / Os poli(hidroxialcanoatos) (PHAs) são compostos biodegradáveis, produzidos por microrganismos como reserva de energia, que despertam interesse industrial por serem termoplásticos biodegradáveis. O desenvolvimento de processos de produção desses biopolímeros de forma eficiente, tem sido foco de diversas linhas de pesquisa. Ralstonia eutropha é um dos microrganismos mais estudados para a produção de Poli(3-hidroxibutirato) (P(3HB)), que é o PHA mais comumente estudado. A utilização de substratos de baixo custo, como os resíduos, pode ser uma alternativa na redução dos custos de produção desses materiais. A vinhaça é o principal subproduto da indústria sucroenergética, sendo produzida em grandes volumes. A valorização da vinhaça, pelo desenvolvimento de um processo para obtenção de um produto com valor agregado, como o P(3HB), contribui com valor adicional à produção de etanol. O glicerol é uma das principais fontes de carbono presentes na vinhaça. O objetivo deste trabalho foi utilizar a vinhaça como substrato para o crescimento e a produção de P(3HB) pela bactéria R. eutropha DSM 545. Diferentes diluições de vinhaça foram estudadas e em nenhuma delas a bactéria sofreu inibição em seu crescimento, mesmo quando a vinhaça (sem diluição) foi apenas adicionada de sais. Visto que a bactéria alcançou a fase estacionária de crescimento quando havia substratos disponíveis no meio, como o glicerol, foi proposto realizar o melhoramento de R. eutropha DSM 545 para o consumo mais eficiente dessa fonte de carbono. Assim, dois dos genes responsáveis pelo consumo do glicerol em Escherichia coli: glpF e glpK, que codificam uma aquaporina e a glicerol quinase (atua na fosforilação do glicerol a glicerol 3-fosfato), respectivamente, foram expressos em R. eutropha DSM 545 (parental) e assim foi construída a cepa R. eutropha_glpFK (recombinante). Ao se analisar comparativamente o crescimento de R. eutropha_glpFK com R. eutropha DSM 545, em meio contendo glicose, os resultados mostraram que a expressão dos genes glpFK não interferiu no desempenho desse microrganismo. Cultivos em modo batelada em biorreator foram conduzidos para comparar o desempenho das cepas parental e recombinante, em glicerol, em vinhaça em meio contendo vinhaça adicionada de glicerol. Em vinhaça, a recombinante foi capaz de crescer com µmáx de 0,41 h-1, enquanto R. eutropha foi de 0,18 h-1. Nesses experimentos, não houve praticamente produção de biopolímero pois não ocorreu a limitação de um nutriente essencial. Nos ensaios conduzido sem vinhaça com adição de glicerol, a recombinante foi capaz de crescer com µmáx de 0,33 h-1 e acumulou 34% de P(3HB), enquanto R. eutropha foi de 0,19 h-1 e 15% de P(3HB). Ao comparar o crescimento das duas cepas, nos cultivos contendo glicerol como fonte de carbono, ambas foram capazes de acumular aproximadamente 35% de biopolímero. Com os resultados obtidos neste trabalho, pode-se dizer que a vinhaça é um substrato com potencial para ser utilizado por R. eutropha, com velocidades específicas máximas de crescimento superiores às encontradas em outros substratos, porém há a necessidade de uma fonte de carbono adicional para aumentar os percentuais de acúmulo de biopolímero. Uma dessas alternativas é o glicerol que quando adicionado à vinhaça a produção de P(3HB) aumentou. O glicerol foi mais rapidamente consumido e com rendimentos maiores por R. eutropha_glpFK que por R. eutropha DSM 545. Assim, pode-se dizer que, R. eutropha é capaz de crescer e produzir P(3HB) a partir de vinhaça e glicerol.<br> / Abstract : Polyhydroxyalkanoates (PHA), a biodegradable energy store of microbes, is an alternative to petroleum-derived thermoplastics. Researches had been foccused to develop efficient production process with low costs.The bacteria Ralstonia eutropha is one of the most studied microrganisms for P(3HB) production, a widely studied PHA. Vinasse is the main liquid waste from ethanol industry and its valorization by a process that use this waste as substrate for an added value product, like P(3HB), contributes to ethanol production, besides try to solve an environment problem related to this waste. Glycerol is one of the main carbon source present in vinasse. In this study, vinasse was used as substrate for P(3HB) production by R. eutropha DSM 545. Different vinasse concentrations were evaluated, and no inhibitory effect were observed. Batch cultivation was performed in bioreactor using vinasse (undiluted) plus the mineral medium salts and R. eutropha could growth until 5 g/L final cell concentration. Once the bacteria reached the stacionary growth fase while residual substrates were available, like glycerol, this study examined the enhancement of glycerol assimitation ability of R. eutropha DSM 545 by introduction of the genes of aquaglyceroporin (glpF), able to facilitate the glycerol transport, and glycerol kinase (glpK), able to phosphorylated glycerol to yield glycerol 3-phosphate, from Escherichia coli. The growth behavior of the recombinant strain was compared to the parental strain on glucose and results showed that the glpFK expression didn?t affect R. eutropha DSM 545 behavior. Batch cultivations in bioreactor were performed to compare the parental and the engineered strains, on vinasse, vinasse plus glycerol and glycerol, as culture medium. On cultivations using vinasse, the recombinat strain grow with a µmáx of 0,41 h-1, while R. eutropha was 0,18 h-1 and no P(3HB) production was observed, since the nitrogen limitation did not occurred. When vinasse plus glycerol was used as culture medium, aimed to increase the carbon source, R. eutropha_glpFK was able to growth with µmáx 0,33 h-1 and produced 34% of P(3HB), while the wild type grow with µmáx 0,19 h-1 and produced 15% of P(3HB). In the cultivations using only glycerol as substrate, without considering the difference in pre culture time, both strains showed the same behavior and produced about 35% of P(3HB). In conclusion, vinasse is a potencial substrate for R. eutropha, showing maximum specific growth rates higher when compared to others substrates, but it requires an extra carbon source to increase the P(3HB) accumulation. In this context, glycerol is a good alternative, since when it was used with vinasse the biopolymeraccumulation was higher and it was efficiently consumed by the engineered strain expressing glpFK genes.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2016-09-20T04:17:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 341408.pdf: 1620530 bytes, checksum: 0d07192bc2adc309470bedf340389450 (MD5) Previous issue date: 2016 / O tomate e a polpa de tomate são muito consumidos mundialmente e a desidratação é um processo que pode ser utilizado para estender a vida útil deste alimento. Entre outras técnicas, a secagem por Cast-Tape Drying (CTD) é uma alternativa para a desidratação de produtos termossensíveis, pois é um processo realizado a temperaturas menores que as secagens convencionais, com tempos de processo relativamente curtos. Este trabalho estudou a modelagem matemática e a simulação numérica do processo de secagem de polpa de tomate, comparando os resultados aos dados experimentais da secagem por CTD. Foram determinados experimentalmente os coeficientes convectivos de transferência de calor e de massa para o processo e construiu-se a isoterma de dessorção da polpa de tomate nas condições da secagem estudada. Durante a secagem foram monitoradas a temperatura e a velocidade do ar de secagem, a temperatura, umidade e espessura da polpa e a temperatura da água circulante. A solução do modelo de transferência de calor e de massa em regime transiente, proposto para o processo foi realizada com o auxílio do software COMSOL Multiphysics utilizando o Método dos Elementos Finitos para resolução numérica das equações. O modelo baseia-se na transferência de calor condutiva e na evaporação da umidade na superfície da polpa. Os fenômenos de transferência de calor e de massa estão ligados através das propriedades térmicas da polpa, as quais se baseiam na composição centesimal da amostra. O processo de desidratação estudado leva cerca de 8 min para reduzir a umidade da polpa de 9 para menos de 0,1 , tendo assim uma capacidade evaporativa de aproximadamente 14 . O modelo físico proposto para descrever o processo foi capaz de predizer as evoluções da umidade e da temperatura da polpa de tomate durante a secagem por CTD. O modelo, baseado nos fenômenos de transferência de calor e de massa presentes na secagem de polpa por CTD, é uma ferramenta útil para o estudo e otimização deste processo e para sua aplicação em outras matérias-primas.<br> / Abstract : Tomatoes and tomato pulp are extensively consumed worldwide and the dehydration process can be used to extend their shelf life. Among other techniques, the Cast-Tape Drying (CTD) is an alternative to dehydrate thermosensitive products, since CTD occurs under a relative low temperature and short time when comparing to conventional drying processes. The present work studied the mathematical modelling and numerical simulation of the tomato pulp drying process, validating the results with experimental data. Heat and mass transfer convective coefficients were experimentally determined as well as the desorption isotherm of the tomato pulp under the conditions of the studied process was constructed. During the drying process, it was measured and recorded the temperature and velocity of the air, the temperature, moisture and thickness of the pulp, and the temperature of circulating water. The Finite Element Method for numerical solution of the heat and mass transfer model was performed using COMSOL Multiphysics software. The model was based on conductive heat transfer and moisture evaporation on pulp surface. The heat and mass transfer phenomena are connected by pulp thermophysical properties, which are based on the sample centesimal composition. CTD process reduced the pulp moisture content from 9 to less than 0.1 in about 8 minutes, showing an evaporative capacity around 14 . The physical model proposed to describe the drying process was able to predict the moisture and temperature behaviour during tomato pulp drying by CTD. The model based on heat and mass transfer phenomena well represented the pulp drying by CTD, being an useful tool for the study and optimization of the process and its application in another raw materials.

Submitted by Marco Antônio de Ramos Chagas (mchagas@ufv.br) on 2018-09-28T11:52:43Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1927441 bytes, checksum: 9491b986a90ab6de8c98036bffd8acf4 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-28T11:52:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1927441 bytes, checksum: 9491b986a90ab6de8c98036bffd8acf4 (MD5) Previous issue date: 2018-08-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O objetivo geral deste trabalho foi implementar o uso de ferramentas estatísticas na otimização do processo de eletrocoagulação para o tratamento de águas superficiais; comparar os mecanismos de coagulação dominantes na eletrocoagulação com eletrodos de alumínio e no tratamento convencional com sulfato de alumínio; e avaliar técnica e economicamente o uso da eletrocoagulação baseada em energia fotovoltaica como tratamento complementar à remoção de poluentes de águas para consumo humano. Inicialmente os modelos e condições ótimas de operação para a eletrocoagulação foram baseados na metodologia de “superfície de resposta” usando o delineamento composto central. A função “desejabilidade” foi utilizada para encontrar as condições operacionais que levassem ao aumento da remoção de cor aparente, da demanda química de oxigênio (DQO) e da turbidez, de maneira simultânea. Foi possível cumprir o padrão estético/organoléptico estipulado para esta etapa do processo (cor < 15 uH, DQO < 18 e turbidez < 5 uT) considerando três amostras de água (turbidez inicial baixa, média e alta). Em uma segunda etapa, gráficos de isoeficiência para remoção de poluentes foram utilizados para determinar e comparar os mecanismos de coagulação atuantes na coagulação convencional e na eletrocoagulação. Para águas com turbidez inicial baixa o mecanismo de adsorção de cargas mostrou eficiências de remoção maiores nos dois tratamentos estudados. Para águas com turbidez inicial média e alta, o mecanismo de varredura mostrou-se eficiente nas duas tecnologias utilizadas. Na terceira fase, a metodologia de superfície de resposta foi utilizada para desenvolver modelos matemáticos considerando os efeitos dos parâmetros intensidade de corrente e tempo de eletrólise (i.t) sobre a remoção da cor aparente e turbidez de uma amostra de água proveniente do rio Turvo Sujo. As condições de desenho e operação para o sistema integrado eletrocoagulação-sistema fotovoltaico (EC-SF) foram estabelecidas assumindo o conceito de reprodutibilidade das condições quando conhecidos os parâmetros de uma única célula eletrolítica. A metodologia estatística utilizada mostrou-se eficiente para a previsão dos melhores valores do binômio i.t, permitindo o cumprimento do padrão estético/organoléptico (cor < 15 uH e turbidez < 5 uT). O desenho de um sistema EC-SF que suprisse a necessidade de consumo de 50 pessoas foi realizado para avaliação do custo do tratamento. Para isto foram considerados o custo do material do eletrodo e o custo de energia elétrica, obtendo-se um custo de R$ 0,70 m -3 de água clarificada. A correlação existente entre as respostas analisadas permitiu encontrar condições especificas dos parâmetros, auxiliando a determinação de pontos de trabalho seguros na operação. A eletrocoagulação mostrou-se eficiente para clarificar águas naturais com diferentes características de turbidez inicial. No que diz respeito aos mecanismos de coagulação encontrados, para águas com turbidez inicial média e alta, o mecanismo de varredura mostrou-se eficiente nas duas tecnologias utilizadas. No entanto, a amplitude de eficiência de remoção, quando utilizada a coagulação convencional, abrange uma área maior do que quando utilizada a eletrocoagulação. Isto implica em uma maior segurança operacional quando ocorrem eventuais flutuações das características da água bruta, bem como no controle da dosagem de coagulante empregado. A metodologia de superfície de resposta permitiu encontrar condições ótimas para os parâmetros de operação, auxiliando na determinação dos parâmetros relativos às necessidades energéticas e de dimensionamento de um sistema fotovoltaico integrado à célula eletrolítica. Assim é possível instalar o sistema EC-SF em qualquer localização onde existam níveis satisfatórios de irradiação como uma alternativa inovadora que ao mesmo tempo ofereça uma opção sustentável ao tratamento de águas em zonas rurais utilizando energias renováveis. / The general objective of this work was to implement the use of statistical tools in the optimization of the electrocoagulation process in surface waters. Also, to compare the dominant coagulation mechanisms in electrocoagulation with aluminium electrodes and in the conventional treatment with aluminium sulphate. Even, technically and economically evaluate the use of electrocoagulation based on photovoltaic energy as a complementary treatment to pollutants removal from water for human consumption. Initially the models and optimal operating conditions for electrocoagulation were based on the response surface methodology using the central composite design. The desirability function was used to find the operating conditions that lead to increased apparent color removal, Chemistry Oxygen Demand (COD) and turbidity simultaneously. It was possible to comply with the aesthetic / organoleptic standard stipulated for this stage of the process (color <15 uH, COD <18 and turbidity <5 uT) considering the three types of studied waters (initial turbidity; low, medium and high). In a second step, isoefficiency plots for pollutants removal were used to determine and compare the coagulation mechanisms acting on conventional coagulation and electrocoagulation. For waters with low initial turbidity, the adsorption mechanism showed higher removal efficiencies in both studied treatments. For water with medium and high initial turbidity, the scanning mechanism was common in both used technologies. In the third step, the response surface methodology was used to develop mathematical models considering the effects of the current intensity and electrolysis time (i.t) parameters on the apparent colour and turbidity removal of a dirty river water sample. The design and operation conditions for the EC-SF integrated system were established assuming the reproducibility concept of the conditions when the parameters of a single electrolytic cell were known. The used statistical methodology proved to be efficient for predicting the best values of the “i.t” binomial, allowing compliance with the aesthetic / organoleptic standard (colour <15 uC and turbidity <5 Ut). The design of an EC-SF system that met the need for consumption of 50 people was conducted to evaluate the cost of treatment. To this, were considered the cost of the electrode material and the cost of electricity for determining a rate of R$ 0,7 m -3 of clarified water. The correlation between the analysed answers allowed to find specific conditions of the parameters, helping to determine safe working points in the operation. Electrocoagulation was efficient to clarify natural waters with different characteristics of initial turbidity. Regarding the coagulation mechanisms found for water, with medium and high initial turbidity, the scanning mechanism was common in both used technologies. However, the breadth of removal efficiency, when using conventional coagulation, covers a larger area than when using electrocoagulation. This may imply greater operational safety, when eventual fluctuations in the raw water characteristics occur, as well as in the dosage control of the employed coagulant. The response surface methodology allowed finding optimum conditions for the operation parameters, helping to determine the parameters related to the energy requirements and the design of a photovoltaic system integrated to the electrolytic cell. Thus, it is possible to install the EC-SF system in any location where irradiation satisfactory levels are reached. Becoming it in an innovative alternative that offers a sustainable option to the water treatment in rural areas using renewable energies.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2009 / Made available in DSpace on 2012-10-24T13:11:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 279949.pdf: 1554923 bytes, checksum: 37e9f79cb42121f0861b3f256f9eead8 (MD5) / A preocupação dos consumidores com uma alimentação saudável tem levado a indústria de alimentos a desenvolver e aprimorar produtos nutritivos, sem conservantes químicos e com atributos sensoriais que sejam agradáveis aos consumidores. Uma das opções existentes no mercado são os sucos de frutas, por serem ricos em vitaminas, sais minerais, açúcares e substâncias antioxidantes. Os métodos tradicionais de produção de suco de frutas envolvem muitas operações em batelada, que são dispendiosas e consomem muito tempo. Além disto, muitas delas submetem o suco a temperaturas elevadas, o que pode acarretar a perda de algumas substâncias responsáveis pelo aroma e sabor das frutas. Como alternativa aos métodos tradicionais, os processos de separação por membranas (PSM), como a microfiltração e a ultrafiltração, têm sido estudados para a clarificação de suco de frutas. Neste trabalho, suco de maçã foi clarificado através de microfiltração, utilizando-se membrana orgânica de polietersulfona na configuração fibra-oca, com ponto de corte de 0,4 µm. Foram investigados os efeitos das variáveis pressão transmembrana, temperatura e velocidade tangencial no fluxo permeado e nas características físico-químicas do suco. Da microfiltração do suco de maçã, resultou um permeado com teor de sólidos solúveis em torno de 16,6 ºBrix, pH 3,76 e acidez titulável de 0,36 g/100 mL. O pH e a acidez total do suco clarificado sofreram pouca variação em relação ao suco antes do processamento. Em relação ao teor de sólidos solúveis, houve uma redução de aproximadamente 22% no suco clarificado, enquanto a cor e a turbidez foram reduzidas em 65% e 74%, respectivamente. A partir do planejamento experimental, observaram-se os maiores fluxos permeados à pressão transmembrana de 1,5 bar, temperatura de 30ºC e velocidade tangencial de 1,0 m/s. Das condições operacionais utilizadas, verificouse que a pressão transmembrana foi aquela que mais influenciou no fluxo permeado. A cor e a turbidez do suco permeado foram influenciadas pela velocidade tangencial, enquanto a temperatura alterou o teor de sólidos solúveis. Quanto maior a temperatura, maior o teor de sólidos solúveis observados no permeado. Por outro lado, um aumento na pressão transmembrana influenciou negativamente no teor de sólidos solúveis do suco clarificado. O tratamento enzimático contribuiu positivamente para o fluxo permeado, que aumentou 27,2% em relação ao fluxo de suco de maçã não tratado com enzimas. Verificou-se ainda que, em pressões maiores, ocorreu maior colmatagem da membrana. Um aumento da pressão de 0,5 bar para 2,5 bar resultou num aumento de 21% no índice de colmatagem. O procedimento de limpeza da membrana que se mostrou mais eficaz foi quando se utilizou solução de NaOH a 1%, e NaClO a 100 ppm. Finalmente, verificou-se que o processo de clarificação do suco de maçã através da microfiltração, nas condições utilizadas, mostrou-se eficiente. Houve redução da cor e da turbidez do suco a partir da redução dos sólidos suspensos, preservandose as principais características físico-químicas que conferem qualidade ao suco, como o brix e a acidez. / Consumer concern with healthy eating has led the food industry to develop and improve nutritious products, without chemical preservatives and with sensorial attributes which are pleasing to consumers. One option available on the market is fruit juices, since they are rich in vitamins, minerals, sugars and antioxidant substances. Traditional methods for the production of fruit juices involve several batch operations, which are expensive and time consuming. Also, many of them submit the juice to high temperatures, which can result in the loss of some substances responsible for the fruit aroma and flavor. As an alternative to traditional methods, membrane separation processes (MSP), such as microfiltration and ultrafiltration, for the clarification of fruit juices have been studied In this study, apple juice was clarified through microfiltration, using an organic polyethersulphone membrane with a cut-off point of 0.4 µm, in a hollow-fiber configuration. The effects of the variables transmembrane pressure, temperature and tangential velocity on the permeate flux and on the physico-chemical characteristics of the juice were determined. The microfiltration of the apple juice resulted in a permeate with a soluble solids content of around 16.6 ºBrix, pH 3.76 and average titratable acidity of 0.36 g/100 mL. The pH and total acidity of the clarified juice underwent little variation in relation to the whole juice. There was a reduction of approximately 22% for the clarified juice in relation to the soluble solids content, while the color and turbidity were reduced by 65% and 74%, respectively. From the experimental design, the highest permeate fluxes were observed at a transmembrane pressure of 1.5 bar, temperature of 30ºC and tangential velocity of 1.0 m/s. Of the operating conditions used, it was verified that the transmembrane pressure had the greatest influence on the permeate flux. The color and turbidity of the juice permeate were influenced by the tangential velocity, while the temperature influenced the soluble solids content. The higher the temperature the greater the soluble solids content observed in the permeate. On the other hand, an increase in the transmembrane pressure negatively influenced the soluble solids content of the clarified juice. The enzymatic treatment contributed positively to the permeate flux which increased by 27.2% in relation to the flux of the apple juice not treated with enzymes. It was also verified that at higher pressures, greater clogging of the membrane occurred. An increase in the pressure from 0.5 bar to 2.5 bar resulted in a 21% increase in the clogging index. The most efficient procedure for the membrane cleaning was found to be when a solution of 1% NaOH and 100 ppm NaClO was used. Finally, it was verified that the apple juice clarification process through microfiltration under the conditions used was efficient. There was a reduction mainly in the turbidity, and also in the color, of the juice due to a reduction in the suspended solids, preserving the physico-chemical characteristics which confer quality to the juice, such as ºBrix and acidity.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2009. / Made available in DSpace on 2012-10-24T16:01:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 270526.pdf: 1524874 bytes, checksum: c4882757dd8633788c4950be9cd736d4 (MD5) / Poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidrohivalerato) [P(3HB-co-3HV)] é um biopolímero acumulado intracelularmente por muitos organismos como reserva de carbono e energia, em condições desbalanceadas do meio. Possui propriedades termoplásticas semelhantes às dos plásticos petroquímicos e a vantagem de ser biocompatível e completamente biodegradável. Entretanto possui custo elevado de produção frente aos polímeros convencionais, o que limita o uso. Diferentes estratégias de cultivo para a produção do copolímero P(3HB-co-3HV) por Cupriavidus necator foram avaliadas, com o objetivo de aumentar a produtividade do processo, e, consequentemente, a redução do custo de produção. O monitoramento da concentração de biomassa e da concentração de oxigênio dissolvido indicou as mudanças metabólicas do microrganismo, sinalizando o momento da limitação de nutriente. Esta sinalização facilita o processo produtivo, permitindo que as alimentações de nitrogênio e ácido propiônico sejam efetuadas a partir do momento exato do início da fase de produção, evitando desperdício de co-substrato. Visando testar a utilização de substratos alternativos de baixo custo, foram realizados testes em bioreator, estudando o crescimento de C. necator em diferentes fontes de carbono (glicose e melaço cítrico). Quando se utilizou melaço cítrico como fonte de carbono, obteve-se maior velocidade específica de crescimento (0,35 h-1) comparada ao cultivo realizado em glicose (0,19 h-1), demonstrando-se dessa forma como substrato promissor para a produção de biopolímeros. A alimentação do elemento limitante (nitrogênio) durante a fase de produção permitiu a formação de um copolímero com 9,3 mol% de acúmulo das unidades 3HV, comparado ao acúmulo de 3,7 mol% em cultura submetida à carência de nitrogênio. No entanto, não foi observado aumento de produtividade em virtude do elevado crescimento residual promovido, o qual prejudicou o acúmulo do polímero. A cinética do crescimento e a transferência de oxigênio dissolvido durante o cultivo foram acompanhados. A velocidade específica de consumo de oxigênio (QO2) e o kLa foram determinados através do método dinâmico. Os resultados mostram que o kLa, a velocidade específica de crescimento (µX) e de respiração (QO2) são afetados pelo aumento da concentração de biomassa. O maior consumo global de oxigênio foi de 595 gO2.L-1.h-1 para uma concentração celular de 18 g.L-1 em cultivo realizado em glicose, sendo que a velocidade específica de consumo de oxigênio para manutenção celular neste cultivo foi de 47,1 mgO2.(gcél.h)-1. A modelagem matemática do crescimento da bactéria foi utilizada para estimar os parâmetros: velocidade específica máxima de crescimento (µmáx), tempo da fase lag (?) e aumento logarítmico da população (A), utilizando melaço cítrico e glicose como substrato. Utilizaram-se três modelos primários de crescimento (Gompertz Modificado, Logístico e Barany e Roberts) e o modelo de Gompertz Modificado foi o que apresentou melhor ajuste às curvas de crescimento da bactéria, para ambas as fontes de carbono testadas. Pelo modelo de Gompertz Modificado foi possível prever o momento da limitação da cultura. Por fim, a caracterização do copolímero produzido a partir das diferentes fontes de substrato testadas mostrou que os mesmos apresentam propriedades térmicas semelhantes ao copolímero industrial e superiores ao homopolímero industrial P(3HB). / Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) [P(3HB-co-3HV)] is a biopolymer accumulated intracellularly by many microorganisms, as carbon and energy storage, under unbalanced growth. It possesses thermoplastic properties similar to the conventional plastics with advantages of biocompatibility and complete biodegradability. However, its high cost of production related to conventional plastics limits its use. Different strategies of P(3HB-co-3HV) production by Cupriavidus necator were studied, aiming to increase its productivity, and, consequently reducing the cost of production. Culture biomass potential and percentage of dissolved oxygen indicated state changes in C. necator and identified the limitation point during the culture. Further, it facilitated the production process allowing that nitrogen and propionic acid feedings were realized from the beginning of the production phase, without co-substrate waste. Looking for alternatives substrates of low cost, experiments in bioreactor were done, studying C. necator growth in different carbon sources (glucose and citrus molasses). When citrus molasses was used as carbon source, has been obtained a higher specific growth rate (0,35 h-1) compared with glucose (0,19 h-1), the production phase, it was demonstrated it is as a promising substrate for biopolymer production. Nitrogen feeding, during the production phase, allowed the formation of copolymer with higher percentage of 3HV units, with 9,3 mol% compared with accumulation of 3,7 mol% in the culture with nitrogen deficiency. However, there wasn't increase of productivity due to the high residual growth promoted. The kinetics growth and oxygen transfer were monitored during of cultivation. The specific oxygen uptake rate (QO2) and the kLa were determined through the dynamic method. Results show that kLa, as well as the specific growth (µX) and respiration rates (QO2), are affected by the increase in biomass concentration. The highest value of specific consumption rate of oxygen uptake observed was 595 mgO2.L-1.h-1, for a cell concentration of 18 g.L-1, in culture with glucose. The amount of oxygen necessary for cell maintenance was 47,1 mgO2.gcel.h-1. The mathematical modeling of bacterial growth was used to estimate the following parameters: specific maximum growth (µmáx), time of lag phase (?) and logarithmic increase of population (A), using citrus molasses and glucose as carbon source. Three primary models were used (Modified Gompertz, Logistic and Barany and Roberts) and the Modified Gompertz model was present the bets fit to the growth curves of the bacteria, on the different carbon source tested. Through Modified Gompertz model, it was possible to establish the moment of nitrogen limitation in the culture. The copolymer characterization obtained from differents carbon source tested showed that thermal properties were similar to the conventional copolymer and higher that to the conventional homopolymer P(3HB).

tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2009. / Made available in DSpace on 2012-10-24T16:05:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 275390.pdf: 3585545 bytes, checksum: 29c9ee2e09e967c74ea0b49dc2b06f63 (MD5) / A impregnação a vácuo (IV) é a técnica que consiste em remover o ar presente em um meio poroso, pela aplicação de vácuo em um recipiente hermético contendo o meio imerso em um líquido impregnante, e substituí-lo por esse líquido através da recuperação da pressão do ambiente. Aos alimentos, aplica-se a IV buscando: acelerar a desidratação osmótica, o enriquecimento de alimentos com vitaminas, probióticos ou prebióticos, acelerar a salga e os processos de extração. Os modelos matemáticos comumente aplicados à IV abrangem apenas as condições de equilíbrio, não contemplando avaliações ou a influência paramétrica sobre a cinética do processo. O objetivo principal deste trabalho foi avaliar os fenômenos envolvidos neste mecanismo de transporte de matéria e apresentar um modelo físico-matemático que descreva a cinética do processo de IV. Formulou-se matematicamente o problema de impregnação utilizando-se o modelo homogêneo e o método Volume of Fluid (VOF). Programou-se uma rotina computacional para a solução numérica do modelo e aprimorou-se um dispositivo experimental capaz de fornecer dados cinéticos da IV. Os experimentos foram realizados utilizando-se um meio poroso modelo não deformável (amostras de uma cerâmica refratária) e um meio poroso alimentício (maçã var. Fuji), sujeito às alterações de volume devido às variações da pressão do ambiente. Experimentalmente, determinou-se a deformação relativa das amostras de maçãs, a massa incrementada devido à embebição espontânea das amostras cerâmicas, a massa drenada do fluido presente no meio anteriormente à IV, os tempos mínimos necessários para as etapas de evacuação e impregnação e a evolução temporal da fração volumétrica da amostra impregnada pelo líquido. Através da IV com água e com glicerol, verificou-se a influência do comprimento característico e da viscosidade da solução impregnante na dinâmica do processo. Os resultados experimentais foram comparados aos resultados preditos pelos modelos de equilíbrio existentes e a etapa dinâmica foi comparada ao modelo desenvolvido. O excelente resultado do modelo homogêneo/VOF em relação às soluções de referência valida a sua utilização na predição da cinética da IV. O modelo permitiu acompanhar a interface, a qual se manteve bem definida, tanto para simulações de geometrias clássicas quanto para as não-clássicas, indicando grande robustez do modelo. O dispositivo e a estratégia experimental mostraram-se úteis na determinação da cinética de impregnação, eles foram precisos e obtiveram valores bem próximos aos estimados por uma balança e calculados pelos modelos teóricos. Como esperado, a cinética foi dependente da viscosidade do fluido e do comprimento característico da amostra. Os dados cinéticos permitiram estimar os parâmetros relevantes do processo, possibilitando a compreensão e a melhoria dos processos de IV. / Vacuum impregnation technology (VI) is a process that consists of removing internal air of a porous medium, through the application of vacuum in a hermetic container with the sample immersed in an impregnating solution, followed the recovery of the atmospheric pressure, leading to the solution penetratation into the sample porous space. In food processing, VI is useful to accelerate osmotic dehydration, addition of vitamins, probiotic and prebiotic compounds in foods, to accelerate salting and to improve solid-liquid extraction processes. The mathematical models often applied to VI of foods are equilibrium models, i.e., they do not allow determining the dynamics of the VI process. In this way, the main goal of this study was to evaluate the phenomena related to this mass transfer mechanism and to propose a physical-mathematical model to describe VI dynamics of porous foods. Homogeneous model and volume of fluid (VOF) methods were used to formulate the VI model. In order to solve numerically the model, a computational routine was implemented. Besides, an experimental device was built in order to supply data on the dynamics of VI. The experiments were carried out using two different kinds of porous medium, a non-deformable model (refractory ceramics samples) and a porous food (apple samples, var. Fuji), which can undergo small volume variations with pressure variations observed during VI processes. The experimental device allowed determining the apple samples deformation, sample mass variations through the VI experiments, the times necessary for evacuation and impregnation, and the time evolution of sample volumetric fraction impregnated by the liquid. From experiments of VI performed with water and with glycerol, it was verified the influence of the characteristic length and of the viscosity of the impregnating solution on the process dynamics. The equilibrium experimental results were compared to the results predicted by a literature model, while the dynamics of VI determined experimentally was compared with the developed model. This model allowed to follow the interface, which was well defined, for simulations of classic geometries and for the nonclassic ones, showing robustness. The results from the mathematical model agreed well with the experimental results, including the prediction of the dynamics of the VI process. On the other hand, the experimental device was a very useful tool for investigating VI dynamics. As waited, the kinetic was fluid viscosity and sample characteristic length dependent. The kinetic data allowed esteeming the relevant process parameters that can be used to improve VI processes.