O objetivo do presente trabalho é a otimização experimental, modelagem matemática e simulação do processo de pré-polimerização fotoiniciada do metacrilato de metila (MMA), visando a produção de um pré-polímero com distribuição estreita de massas moleculares (MWD) e conversão de monômero definida. Os experimentos foram realizados em dois sistemas experimentais em batelada, compostos por reatores fotoquímicos anulares e tanques de recirculação. No primeiro sistema experimental empregou-se uma lâmpada de mercúrio de média pressão, Heraeus TQ 150W. No segundo uma fonte de radiação de excímeros de xenônio e cloro (XeCl) alimentada por um gerador de pulsos e operada em uma larga faixa de freqüências de pulsos (840Hz – 46,4 kHz) foi empregada. Avaliaram-se as evoluções experimentais da concentração de benzoína (iniciador fotoquímico), da concentração do monômero e da concentração e distribuição de massas moleculares do pré-polímero, em função do tempo de irradiação, para diferentes condições de freqüência de pulsos de excitação, de concentração inicial de iniciador e de vazão de circulação. Para tanto, empregaram-se técnicas de análise como espectrofotometria, actinometria química (ferrioxalato), medidas de cromatografia por exclusão de tamanho e em fase reversa. As otimizações foram realizadas segundo dois planejamentos experimentais baseados na matriz Doehlert. As variáveis do processo escolhidas afetam significativamente as características do produto final, devido as diferentes condições de taxa de produção de radicais primários que se mostrou como etapa chave no controle da MWD e conversão do monômero. A modelagem matemática baseou-se nos balanços de massa, quantidade de movimento e transporte de fótons. Os mecanismos de geração de di-radicais monoméricos e dos radicais primários a partir das reações fotoquímicas foram incluídos em um modelo baseado na cinética clássica de polimerização por radicais livres. Os balanços foram desenvolvidos de acordo com o método dos momentos da distribuição de tamanhos de cadeia. O modelo matemático proposto foi validado confrontando-se os dados experimentais com os resultados simulados por um programa de fluido dinâmica computacional (PHOENICS). / The aim of this work is the experimental optimization, the mathematical modeling and the simulation of the photochemically initiated pre-polymerization process of methyl methacrylate (MMA). According to the industrial interests a pre-polymer of narrow molecular weight distribution (MWD) and defined weight concentration was pointed as an optimum since it improves the production process and the characteristics of Plexiglas. The experiments were carried out employing two experimental set-ups, which consist of an annular photochemical reactor connected to reservoir. In the first experimental set-up a medium pressure mercury lamp, Heraeus TQ 150 W was employed. In the second a xenon and chlorine (XeCl) source of radiation was employed. The electricity was supplied by a pulse generator, which operates within a wide frequency range (840Hz – 46,4kHz). The experimental time-evolution of the initiator (benzoin) and the MMA concentration as well as the molecular weight distribution of the pre-polymer were evaluated for different pulse frequencies, initial initiator concentrations and recirculation flow rates conditions. Therefore, analytical techniques were employed as spectrophotometry, chemical actinometry, size exclusion chromatography and reverse phase chromatography. The experimental optimizations were carried out according to two optimal experimental designs based on the classical Doehlert matrix. The chosen variables affect significantly the characteristics of the final product. Mainly due to the different conditions of initial radical production rates, which have shown to be the key on controlling the MWD and the MMA conversion. The mathematical modeling was based on mass, momentum and photons balance equations. The kinetic mechanism of bi-radical and initial radical production from MMA and benzoin respectively, were included in the classical kinetic model of free radical polymerization. The reaction rate equations were developed according to method of the chain size distribution moment. The proposed mathematical model was validated comparing the simulation results obtained with a computational fluid dynamics program (PHOENICS) and the experimental results.

Neste trabalho, foi estudado o desempenho de um sistema constituído de torres de resfriamento e a sua integração em uma planta industrial de hidrogenação de butadieno. Caracterizou-se o desempenho das torres de resfriamento com base em um modelo fenomenológico, cujos parâmetros foram obtidos a partir da medição de variáveis operacionais reais. O processo de hidrogenação foi configurado em um simulador de processos, sendo o caso base estabelecido nas condições de projeto. Elaborou-se um módulo específico referente às torres de resfriamento, que foi integrado ao processo configurado no simulador. Em seguida, analisaram-se as interações das condições operacionais da torre de resfriamento no desempenho do processo industrial. / In the present work, the performance of a system composed of a cooling tower integrated in butadiene hydrogenation plant was studied. An experimental investigation was made to characterize the cooling towers based on a phenomenological model and in real process conditions. The hydrogenation process was configured on a process simulator and design specifications were considered as base case. A cooling tower module was developed and integrated to the process simulator. The interaction of the cooling tower system and the plant operation was investigated.

A fim de garantir a inocuidade, alguns alimentos industrializados são termicamente tratados por um processo contínuo denominado pasteurização, o qual visa inativar os micro-organismos patogênicos, mantendo, ao mesmo tempo, a sua qualidade sensorial e nutricional. Essa operação é aplicada a produtos como sucos, leite, cervejas, polpas, entre outros. A modelagem matemática deste processo tem como intuito auxiliar no entendimento, controle e posterior otimização desta operação. O principal objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento da modelagem do processo contínuo da pasteurização HTST do leite e a validação experimental do modelo empírico da incrustação do produto nas placas do trocador de calor, em malha aberta (sem PID). A modelagem fenomenológica foi composta por balanços diferenciais de energia, para temperatura, e de material, para letalidade, nos canais, nas placas, no tubo de retenção e nas conexões do pasteurizador. Também foi realizada a modelagem empírica da incrustação do leite na seção de aquecimento. Os modelos desenvolvidos representam um conjunto de equações diferenciais ordinárias de primeira e segunda ordem, o qual foi resolvido pelo método das diferenças finitas, pelo uso do software gPROMS. O modelo foi aplicado para representar o comportamento de um pasteurizador a placas de escala laboratorial, com e sem incrustação, com e sem perturbações no sistema e durante a partida do equipamento, através de estudo de caso. Os dados simulados foram apresentados pela distribuição unidimensional e temporal de temperatura e da letalidade do tratamento, ao longo do processo, e do perfil do coeficiente global de troca térmica na seção de aquecimento. Para a validação do modelo de incrustação foi realizado um ensaio experimental da pasteurização de solução proteica (similar ao leite). Inseriu-se termopares em diversos pontos do equipamento e as temperaturas foram registradas ao longo do tempo. As placas do trocador foram pesadas e fotografadas antes e depois do teste para controle da quantidade de material depositado. A partir dos resultados laboratoriais, fez-se o ajuste dos parâmetros do modelo de incrustação, simulando novamente. Esses resultados foram comparados aos experimentais, sendo, então, o modelo validado. / In order to guarantee harmlessness, some processed foods are thermally treated in a continuous process named pasteurization, in which the purpose is to eliminate pathogenic microorganisms, while avoiding sensorial and quality losses. This operation is used in products such as juice, beers, milk and dairy food, pulp, and so on. Mathematical modeling of this process seeks to help its understanding, controlling, and optimization. Thus, the aim of this work was to develop and simulate a model of a continuous process pasteurization, and to conduct the experimental validation of a fouling model in the plates of the heat exchanger plates, without a process controller (PID). The phenomenological modeling was composed by differential energy and material balances, for temperature and lethality, respectively, in the channels, plates, holding tube and its connections of the pasteurizer. It was also developed an empirical fouling model for the product in the heating section. All these models represent a set of first and second order differential equations which were solved by a finite difference method through the gPROMS software. This modeling was used to express the behavior of a laboratory scale plate pasteurizer, with and without fouling, with and without system disturbances and during the equipment startup, in a case study. The simulated data was presented by the unidimensional spatial and temporal distribution of temperature and lethality along the process, and overall heat transfer coefficient profile in the heating section. To validate the fouling model, an experimental test by using a protein solution (similar to cow milk) was conducted. The temperature logging over time was done by various thermocouples inserted in the pasteurizer. All the plates were weighed and photographed before and after the tests to quantify the amount of deposits. From laboratory results, fouling model parameters were adjusted and simulation was performed again. These results were compared to the experiments, being the model validated adequately.

Réguler la prise alimentaire et la dépense énergétique permet en général de limiter d'importants changements de poids corporel. Hormones (leptine, ghréline, insuline) et nutriments sont impliqués dans ces régulations. La résistance à la leptine, souvent associée à l'obésité, limite la régulation de la prise alimentaire. La modélisation mathématique de la dynamique du poids contribue en particulier à une meilleure compréhension des mécanismes de régulation (notamment chez l’humain). Or les régulations hormonales sont largement ignorées dans les modèles existants.Dans cette thèse, nous considérons un modèle de régulation hormonale du poids appliqué aux rats, composé d'équations différentielles non-linéaires. Il décrit la dynamique de la prise alimentaire, du poids et de la dépense énergétique, régulés par la leptine, la ghréline et le glucose. Il reproduit et prédit l'évolution du poids et de la prise alimentaire chez des rats soumis à différents régimes hypocaloriques, et met en évidence l'adaptation de la dépense énergétique. Nous introduisons ensuite le premier modèle décrivant le développement de la résistance à la leptine, prenant en compte la régulation de la prise alimentaire par la leptine et ses récepteurs. Nous montrons que des perturbations de la prise alimentaire, ou de la concentration en leptine, peuvent rendre un individu sain résistant à la leptine et obèse. Enfin, nous présentons une simplification réaliste de la dynamique du poids dans ces modèles, permettant de construire un nouveau modèle combinant les deux modèles précédents / The regulation of food intake and energy expenditure usually limits important loss or gain of body weight. Hormones (leptin, ghrelin, insulin) and nutrients (glucose, triglycerides) are among the main regulators of food intake. Leptin is also involved in leptin resistance, often associated with obesity and characterized by a reduced efficacy to regulate food intake. Mathematical models describing the dynamics of body weight have been used to assist clinical weight loss interventions or to study an experimentally inaccessible phenomenon, such as starvation experiments in humans. Modeling of the effect of hormones on body weight has however been largely ignored.In this thesis, we first consider a model of body weight regulation by hormones in rats, made of nonlinear differential equations. It describes the dynamics of food intake, body weight and energy expenditure, regulated by leptin, ghrelin and glucose. It is able to reproduce and predict the evolution of body weight and food intake in rats submitted to different patterns of caloric restriction, showing the importance of the adaptation of energy expenditure. Second, we introduce the first model of leptin resistance development, based on the regulation of food intake by leptin and leptin receptors. We show that healthy individuals may become leptin resistant and obese due to perturbations in food intake or leptin concentration. Finally, modifications of these models are presented, characterized by simplified yet realistic body weight dynamics. The models prove able to fit the previous, as well as new sets of experimental data and allow to build a complete model combining both previous models regulatory mechanisms

Nous avons proposé dans cette thèse une nouvelle approche de modélisation des réponses cellulaire et tumorale durant la radiothérapie. Cette modélisation est fondée sur les chaînes de Markov. Elle se situe dans le cadre de la théorie de cible qui suppose qu'il existe dans la cellule des régions sensibles appelées cibles, qui doivent toutes être désactivées pour tuer la cellule. Un premier travail est consisté à proposer un modèle à temps discret en tenant compte non seulement des phases de réparations cellulaires entre les fractions de dose mais également de l'hétérogénéité des dommages cellulaires.Nous avons ensuite proposé un modèle stochastique de la durée de vie cellulaire. Cette modélisation fut également étendue à une population de cellules et a permis d'établir de nouvelles expressions des probabilités d'efficacité et de complication thérapeutique. Nos derniers travaux portent sur le développement d'un modèle de type chaîne de Markov à temps continu qui pourrait être appliqué aux réponses des tumeurs traitées par la thérapie photodynamique / In this thesis, we have proposed a Markov chain modeling of the cell and tumor behaviors during radiotherapy. Our approach is based on the target theory where it is assumed that the cell contains a number of sensitive sites called targets which must be all deactivated to produce the cell death. A first task was to provide a discrete-time model taking cell repair between dose fractions and the heterogeneity of cellular damage into account. Then, we proposed a stochastic model of the cell lifespan. This model was also extended to a cell population and allowed to derive new expressions of the efficiency and complication probabilities of the treatment. Finally, we focused on the development of a model based on Markov chain in continuous time which could be applied to the responses of tumors treated by photodynamic therapy

No presente trabalho estudou-se o equilíbrio de fases em sistemas aquosos contendo albumina do plasma bovino (BSA) e polietileno glicol (PEG) com tamanhos médios de cadeia 2000, 4000, 6000 e 10000, para valores de pH iguais a 4,0, 5,0 e 6,0, na temperatura de 25ºC. Pôde-se observar que o diagrama de fases é dependente do pH e do tamanho da cadeia. Conforme a região do diagrama, observaram-se sistemas que apresentaram características de equilíbrio sólido-líquido (ESL) e de equilíbrio líquido-líquido (ELL), além de sistemas presumivelmente metaestáveis que apresentam uma transição dos dois comportamentos, cujas concentrações de PEG são intermediárias em relação aos sistemas que apresentam puramente o ELL ou o ELS. Mediante a interpretação dos dados experimentais e a análise a partir da equação de Flory-Huggins, verificou-se a dependência direta entre o tamanho médio de cadeia polimérica e a formação do ELS. Os resultados sugerem que os grupos hidroxila terminais das moléculas de PEG interagem com as moléculas de BSA, alterando a conformação das últimas de tal modo que o coeficiente de interação BSA-H2O (oriundo da equação de Flory-Huggins) também se altera. Como o parâmetro de maior influência na atividade da proteína em solução é justamente o coeficiente de interação BSA-H2O, pequenas alterações geram uma grande mudança no cálculo desta atividade sendo portanto o principal fator a afetar a estado de equilíbrio. / The phase equilibrium in aqueous systems containing bovine serum albumin (BSA) and polyethylene glycol (PEG) with average molar mass values of 2000, 4000, 6000 and 10000 was studied in this work. All experiments were carried out at 25ºC, and the pH was varied within the values 4,0, 5,0 and 6,0. It was observed that the phase diagram depends on the pH and on polymer chain average size. According to the composition of the systems, not only solid-liquid (SLE) and liquid-liquid (LLE) equilibrium were observed, but also possible metastable systems with transition characteristics, whose PEG concentrations are intermediate to the purely SLE or LLE systems. Following the experimental data interpretation and the analysis of the Flory-Huggins equation, it was observed a direct relationship between the polymeric average size and the formation of SLE. The results imply that the terminal hydroxyl groups of the PEG molecules interact with BSA molecules, changing the protein conformation in such a way that the interaction coefficient BSA-H2O (which came from the Flory-Huggins equation) changes accordingly. Bearing in mind that the most influential parameter in the protein activity is the interaction coefficient BSA-H2O, small changes lead to a significant change in the calculated value of this activity. It is thus possible to state that the average molecular mass value of PEG is the main factor that affects the equilibrium state.

Este trabalho propõe a modelação matemática da perda de carga e da remoção de turbidez e de partículas na filtração direta ascendente baseada nos modelos que descrevem macroscopicamente o processo de filtração. Os modelos incluem o mecanismo de desprendimento de partículas do meio filtrante e a alteração da porosidade do material retido durante o processo de filtração. Foram propostos dois modelos: o monodisperso e o polidisperso. Tais modelos foram adaptados para a aplicação à filtração direta ascendente em material granular de areia grossa e pedregulho a partir de modelos para filtração descendente. Objetivou-se a identificação da influência do vetor gravitacional na parcela de eficiência por sedimentação gravitacional na proposição de modelos de eficiência inicial de remoção na filtração ascendente. Três concepções para quatro modelos de eficiência inicial de remoção foram propostas e aplicadas à filtração ascendente. Duas destas concepções foram adaptadas do original da filtração em aerossóis para escoamento ascendente e a outra a partir de modelos para escoamento descendente. Os resultados do modelo monodisperso apresentaram boa aderência aos dados experimentais obtidos da filtração ascendente em um sistema de dupla filtração mediante uma análise estatística com base nos valores dos coeficientes de correlação não linear. O modelo polidisperso também foi analisado, não tendo alcançado, entretanto, a mesma eficiência do modelo monodisperso. Os valores de eficiência inicial de remoção para a filtração direta ascendente calculados pela concepção proposta neste trabalho indicam razoável adequação aos modelos de filtração e apresentam-se coerentes e consistentes com os valores experimentais e com a teoria da trajetória. / This work proposes mathematical models to predict the head loss, the turbidity and particles removal in up flow direct filtration based on the models that describe macroscopic filtration process. The models include the mechanism of particles detachment from the granular medium and the porosity change of the retained material during the filtration process. Two models were proposed: the monodisperse one and the polidisperse one. These models were used for up flow direct filtration in granular material of coarse sand and gravel based on down flow filtration models. The identification of the influence of the gravitational vector was aimed in the efficiency portion by gravitational sedimentation in the proposition of models of initial efficiency collector in the up flow filtration. Three conceptions of four initial efficiency collector models were proposed and applied to up flow filtration. Two of those conceptions were adapted from up flow aerosols filtration and another one was based on down flow models. The results of the monodisperse model presented good adherence to the up flow experimental data from a double filtration system by means of a statistical analysis with based on coefficients of non lineal correlation values. The polidisperse model was also analyzed, however, it did not provide the same efficiency of the monodisperse model. The initial efficiency removal values for the up flow direct filtration calculated by the proposed models indicated reasonable suitability to the filtration models and they come coherent and consistent with the experimental values and with the theory of trajectory analysis.

A atual competitividade da economia mundial exige um controle de qualidade sofisticado em indústrias de manufatura, pois, devido ao grande número de empresas do setor são constantes as exigências de melhorias na produção. Deste modo, sistemas de medição rápidos, precisos e flexíveis como a MMC (Máquina de Medir por Coordenada) são introduzidos junto ao processo produtivo e, no que se refere à inspeção dimensional, eles proporcionam os quesitos pretendidos. Como todas as máquinas, a MMC está suscetível a erros, o que resulta em valores errôneos de sua resposta de leitura. Neste contexto, o objetivo principal do trabalho é descrever uma metodologia para efetuar um levantamento de erros em uma MMC, equacionando e quantificando nas suas direções preferenciais os erros incidentes durante um procedimento de medição. O levantamento de erros foi realizado em uma MMC do tipo ponte móvel sob as formas, teórica e experimental. A metodologia aplicada sob a forma teórica foi elaborada pelo método reduzido de sintetização de erros e pelo método pleno de sintetização de erros. Para estas sintetizações foram desenvolvidos matematicamente modelos da máquina por meio de uma análise de sua estrutura e também utilizando a teoria das transformações homogêneas. O levantamento de erros sob a forma experimental, sintetização experimental de erros, foi realizado de forma plena, obtendo valores dos 21 erros individuais. Para este método, foi utilizado canhão laser de medição, conjunto de óticas de medição por interferometria, apalpador eletrônico, nível eletrônico, esquadro mecânico de granito, além de dispositivos de fixação. Por meio dos valores obtidos na sintetização experimental permitiu-se conhecer a influência dos erros na ponta da sonda de medição. Os resultados mostraram que o eixo \"Z\" apresentou os menores erros de rotação, com amplitude menor que 1,7 arcoseg, contrariamente aos eixos \"X\" e \"Y\". Constatou-se que as sintetizações de erros apresentadas podem ser empregadas como técnica de error budget, pois permitem conhecer os erros da máquina de medir por coordenadas e também rastreá-los em todo o seu volume de trabalho. / The current competitiveness of the global economy requires a sophisticated quality control in manufacturing industries, because, due to the large number of companies in this sector are constant the requirements of improvements in production. Thus, fast, accurate and flexible, systems of measurement as the CMM (Coordinate Measuring Machine) are introduced at production process and, with respect to dimensional inspection, this provides the qualities intended. Like all machines, the CMM is susceptible to errors, resulting in erroneous values of their reading response. In this context, the main objective of the study is to describe a methodology of error budget in a CMM, equating and quantifying in their preferred directions the errors incidents during a measurement procedure. The error budget was held in a moving bridge CMM in the forms, theoretical and experimental. The methodology applied in the theoretical form was developed by the method of reduced synthesizing technique of errors and the method of synthesizing technique of errors. For these synths were developed mathematical models of the machine by way of an analysis of its structure and also using the homogeneous transformations. The experimental synthesizing technique of errors was made with obtaining the individual values of 21 errors. For this method, was used a laser measurement, optical set of measurement by interferometry, electronic probe, electronic level, granite square, and fixation devices. Through the values obtained in the experimental synthesizing technique enabled to know the influence of errors on the tip of the probe. The results showed that the \"Z\" axis had the lowest errors of rotation, with amplitude less than 1.7 arcoseg, contrary to the axis \"X\" and \"Y\". It was verified that the methods of synthesizing technique of errors can be used as error budget, because they provide to know the errors of a coordinate measuring machine and also trace them throughout their volume.

Made available in DSpace on 2016-04-04T18:31:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Edson Taira Procopio.pdf: 7667432 bytes, checksum: 340fc984da59ee0bd318ee7ba77b68c3 (MD5) Previous issue date: 2012-12-14 / The signal propagation between nodes of a network of wireless sensors in a built environment, indoor or may suffer interference from the environment in which they are installed. This phenomenon may occur because of the characteristics of objects in the signal propagrado contacts. Environments with different configurations contains objects with features that can compromise the signal in different ways. In this context, this work presents a study to define mathematical models that are capable of representing the behavior of a wireless sensor network operating within a built environment. This study was conducted in environments with specific characteristics, the results of which are limited to environments characterized compatible with this environments, but the method applied for this purpose to study can be used to study environments with different characteristics. The ability to obtain models that characterize the behavior of the network can provide benefits in the design phase, anticipating the conditions of signal propagation between the points and thereby giving conditions to optimize the resources applied. / A propaga??o do sinal entre os n?s de uma rede de sensores sem fio em um ambiente constru?do, ou indoor, pode sofrer interfer?ncias do meio em que est?o instalados. Esse fen?meno pode ocorrer por conta das caracter?sticas dos objetos em que o sinal propagrado entra em contato. Ambientes com diferentes configura??es cont?m objetos com caracter?sticas que podem comprometer o sinal de maneiras diferentes. Nesse contexto, este trabalho apresenta um estudo realizado para definir modelos matem?ticos que sejam capazes de representar o comportamento de uma rede de sensores sem fio operando dentro de um ambiente constru?do. Este estudo foi realizado em ambientes com caracter?sticas espec?ficas, sendo que os resultados obtidos limitam-se a caracterizar ambientes compat?veis com estes ambientes, mas o m?todo aplicado ao estudo para esta finalidade pode ser utilizado para o estudo de ambientes com caracter?sticas diferentes. A possibilidade de obter modelos que caracterizem o comportamento da rede pode apresentar benef?cios na fase de projeto, antevendo as condi??es de propaga??o do sinal entre os pontos e com isso, dando condi??es de otimizar os recursos aplicados.

Avanços recentes nos conhecimentos sobre a infecção viral e AIDS tem levado pacientes soropositivos a uma melhor qualidade de vida. A determinação de quais populações celulares ou qual mecanismo imunológico seja mais relevante para instalação da epidemia conduz a novos patamares de possibilidades de novas drogas antiretrovirais e tratamento mais eficientes. O uso de modelagem matemática, para a epidemiologia, correlaciona indivíduos (neste caso células) e doença (o vírus) através de equações diferenciais, onde se quer observar as condições necessárias para a instalação ou não da doença. Neste trabalho, observou-se através das simulações, que o componente mais importante, depois do linfócito TCD4+, é a célula macrófago (por ser um reservatório de proliferação viral), que a infecção ocorre várias vezes ao longo do tempo (devido o processo de apresentação de antígenos) e que os linfócitos CTL são ineficientes em erradicar a infecção pelo vírus HIV-1, que pode ser um simples fenômeno de co-adaptação. / Recent advances in knowledge about the viral infection and AIDS seropositive patients has led to a better life quality. The determination of what people or cellular immune mechanism which is more relevant for the epidemic installation leads to new levels of possibilities to new antiretroviral drugs discovers and more efficient treatment. Mathematical modeling use on epidemiology, correlates individuals (this case cells) and illness (the virus) through differential equations, where want to observe the conditions necessary to the installation or not the disease. In this study, it was observed through simulations, that the most important component, after lymphocyte CD4 T cells, macrophages is the cell (as a reservoir of viral proliferation) that the infection occurs repeatedly over time (because of the antigen presenting process) and CTL lymphocytes are inefficient in eradicating the infection by HIV-1, which may be a simple phenomenon of co-adaptation.