In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Spektrometer für die Analyse von Gasen bzw. Gasgemischen vorgestellt und deren Design, Aufbau, Charakterisierung und Optimierung beschrieben. Das Resultat der Optimierung und Weiterentwicklungen ist ein spektral breitbandiges Cavity-Ring-Down-Spektrometer (CRD-Spektrometer). Ausgangspunkt der hier vorgestellten Arbeit ist ein Spektrometer auf Basis klassischer Absorptionsspektroskopie in einer Multireflexionszelle. Für dieses Spektrometer wurde als Strahlquelle ein Superkontinuumlaser verwendet. Der Vorteil dieses Spektrometers liegt in seiner Kompaktheit. Mit diesem Spektrometer wurden Absorptionsspektren von mehreren Reingasen und einem Gasgemisch über einen Wellenlängenbereich von 1500 nm – 1700 nm aufgenommen. Der qualitative Vergleich mit zu erwartenden Spektren, welche auf der HITRAN-Datenbank basieren, zeigte eine gute Übereinstimmung. Die quantitative Interpretierbarkeit der Daten war jedoch stark eingeschränkt aufgrund des hohen zufälligen und systematischen Fehlers der Messungen. Als Konsequenz aus der als nicht zufriedenstellend bewerteten quantitativen Interpretierbarkeit der Daten wurde eine alternative Messmethode gesucht, welche eine höhere Sensitivität und Genauigkeit ermöglicht. Die Wahl fiel auf die Cavity-Ring-Down-Spektroskopie, eine resonatorgestützte Variante der Absorptionsspektroskopie. Wesentliche Vorteile dieser Technik sind a) die Unabhängigkeit von Leistungsschwankungen der Strahlquelle, b) ein effektiver Absorptionsweg von bis zu mehreren Kilometern, welcher sich unmittelbar auf die Sensitivität der Messungen auswirkt, c) die Ermittlung absoluter Absorberkonzentrationen, ohne die Notwendigkeit einer Kalibrierung oder den Vergleich mit einer Referenzzelle und d) die Vernachlässigbarkeit von Absorptionen außerhalb des Resonators. Als notwendiger Zwischenschritt auf dem Weg zu einem breitbandigen CRD-Spektrometer wurde zunächst ein monochromatisches CRD-Spektrometer designt, aufgebaut und charakterisiert. Für die effektive Einkopplung von Strahlungsenergie in einen Resonator ist die Anpassung der Strahlparameter an die Mode des Resonators notwendig. Voraussetzung dieser Anpassung ist die Kenntnis der Strahlparameter, welche experimentell ermittelt wurden. Im Laufe des Aufbaus des Spektrometers ergab sich, dass trotz der Modenanpassung die Einkopplung der Strahlungsenergie in den Resonator gestört wurde. Daraufhin wurden systematisch mögliche Ursachen dieser Störung untersucht und das Spektrometer optimiert. Mit diesem optimierten Spektrometer wurden Spektren gemessen, welche sowohl qualitativ als auch quantitativ gut mit den zu erwartenden Spektren übereinstimmen. Als Nachweisgrenze dieses Spektrometers wurde ein Wert für den Absorptionskoeffizienten alpha von 10^-8 cm-1 bestimmt. Mit dem monochromatischen CRD-Spektrometer war es zudem möglich, isotopenspezifische Messungen durchzuführen. Für das breitbandige Spektrometer wurde als Strahlquelle eine ASE-Diode (amplified spontaneous emission) verwendet. Dabei handelt es sich um eine inkohärente Strahlquelle. Mittels Messungen nach dem Prinzip der Cavity-Enhanced-Absorptionsspektroskopie wurde die generelle Funktionalität des resonatorgestützten Spektrometers überprüft. Anschließend wurden die wellenlängenabhängigen Abklingsignale des leeren und des mit einem CO2-Luft-Gemisch gefüllten Resonators gemessen und ebenfalls mit den zu erwartenden Spektren verglichen. Qualitativ stimmen die experimentellen Spektren gut mit den zu erwartenden Spektren überein. Für die quantitative Interpretation der Daten wurde ein spezieller Algorithmus entwickelt, der die spektrale Auflösung des Systems berücksichtigt. Mit dem vorgestellten Spektrometer ist so die qualitative und quantitative Interpretation der Spektren möglich. Die Nachweisgrenze des breitbandigen Cavity-Ring-Down-Spektrometers wurde zu einem Wert von alpha = 8x10^-7 cm-1 bestimmt. Der systematischen und der zufällige Fehler der Messungen lagen bei Werten von ca. 1%. Bei diesem Spektrometer handelt es sich um einen Prototyp. Mittels Optimierung des Systems lassen sich sowohl der Wert der Nachweisgrenze als auch die Fehler der Messungen verbessern. / This thesis presents the design, set-up, characterisation and optimization of various spectrometers to be used for the analysis of gases and gas mixtures. The result of this optimization and its further development is a spectrally broadband cavity ring-down spectrometer (CRD spectrometer), which uses an incoherent light source that emits in the near-infrared. The starting point of the development was a spectrometer which is based on classic absorption spectroscopy inside a multipass cell. This spectrometer uses a supercontinuum laser as light source. The advantage of this spectrometer is its compactness. With this spectrometer, the spectra of various gases and a gas mixture were detected in the spectral range of 1500 nm to 1700 nm. The experimentally derived spectra are in good qualitative accordance to expected spectra based on the HITRAN database. Nevertheless, the qualitative interpretation of the data reveals significant systematic and random errors. As a consequence, a different spectroscopic approach was chosen. The method of choice was cavity ring-down spectroscopy. The advantages of this technique are a) the independence from power fluctuations of the light source, b) an effective absorption path length of up to several kilometres, c) absolute measurement of absorber concentration and d) independence of absorption outside of the cavity. As an important intermediate step on the way to the broadband CRD spectrometer, a monochromatic CRD spectrometer was designed, set up and characterised. To effectively couple light into the cavity, the beam parameters have to be matched to the cavity’s mode. Prerequisite of this mode matching is the knowledge of the beam parameters, which were determined experimentally. Despite this mode matching, the coupling of the light into the cavity turned out to be instable. The cause of that disturbance was systematically investigated, which let to an optimization of the system. The spectra measured with this optimized system were in very good qualitative and quantitative agreement with the expected spectra. The limit of detection of this spectrometer was determined to an absorption coefficient alpha of 10^-8 cm-1. Furthermore, isotope-selective measurements were performed. The light source of the broadband CRD spectrometer is an amplified spontaneous emission diode, which is an incoherent light source. The general functionality of the spectrometer was first tested by means of CEAS measurements (cavity enhanced absorption spectroscopy). Afterwards, the wavelength dependent ring-down signals of the empty cavity and the cavity filled with a CO2 air mixture were detected. The qualitative comparison with the expected data shows very good agreement. For the quantitative interpretation of the experimental data, a special algorithm was developed. Thereby the data measured with the presented spectrometer can be interpreted both qualitatively and quantitatively. The limit of detection of the broadband CRD spectrometer was determined to a value of alpha = 8x10^-7 cm-1. The systematic and the random error are in the range of 1 %. The presented spectrometer is a prototype. Therefore the systematic and random error will be improved by further optimization of the spectrometer.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:39:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1545911 bytes, checksum: 374fbc9951e52fdc2397c84a434ed6a2 (MD5) Previous issue date: 2012-08-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The macaúba [Acrocomia aculeata (Jacq.) Lodd. Ex Mart.] is a rustic oilseed, with high productivity and multiple potential, which is strongly demanded in the food, cosmetic, and especially the energy industries, due of its suitability for biodiesel production. However, despite the enormous potential, the exploitation of macaw palm still boils down to foraging. Studies aiming at their sustainable use and the resulting domestication of the species are ignorant, because of the lack of practical and efficient methods to support breeding programs on genotypes selections. The main objective of this study was to develop and propose methods to estimate the oil content and volume of the mesocarp in macaw palm fruit using optical characteristics. For methodologies evaluation two assays were carried out. In the first, 420 samples were used to develop calibration model to predict oil content of mesocarp using visible and near infrared spectrometry. The soxhlet method was used as reference. In the second, consisted of 20 samples, were developed imaging algorithms to estimate the mesocarp volume, and as a reference was used water displacement method. In the first assay the developed model showed consistent results in the calibration and validation sets, and it s potentially feasible for preliminary selections and characterization of genotypes intended macaw palm improvement. In the second, were developed two algorithms, one considering each fruit as sphere and another one using ellipsoid approximation. The results show that the algorithms can be used in the pre and post-harvest sector and to make genotypes selection in macaw palm breeding programs. / A macaúba [Acrocomia aculeata (Jacq.) Lodd. Ex Mart.] é uma oleaginosa rústica, de alta produtividade e múltiplas potencialidades, com grande demanda nas indústrias alimentícia, cosmética e, principalmente, a energética, em função da adequação para produção do biodiesel. Contudo, apesar do enorme potencial, a exploração da macaúba ainda resume-se ao extrativismo. Os estudos visando a sua domesticação e o consequente uso sustentável da espécie são insipientes, em função da falta de métodos práticos e eficientes que possam subsidiar os programas de melhoramento na seleção de genótipos de interesse. Assim, o objetivo deste trabalho foi desenvolver e propor métodos para estimar o teor de óleo e volume do mesocarpo no fruto da macaúba utilizando características ópticas. Para avaliação das metodologias foram conduzidos dois ensaios. No primeiro foram utilizadas 420 amostras para desenvolver um modelo de predição do teor de óleo do mesocarpo usando a espectrometria do visível e infravermelho próximo. Como referência foi usado o método soxhlet. No segundo, composto por 20 amostras, foram desenvolvidos algoritmos do processamento de imagens digitais para estimar o volume do mesocarpo, e como referência empregou-se o método do deslocamento da coluna da água. No primeiro ensaio, o modelo desenvolvido apresentou resultados consistentes na calibração e validação, sendo potencialmente viável para a caracterização e pré-seleção de genótipos visando o melhoramento da macaúba. No segundo ensaio, foram desenvolvidos dois algoritmos, um considerando cada fruto como uma esfera e outro por aproximação a um elipsóide. Os resultados permitem concluir que os algoritmos podem ser usados nas áreas da pré e pós-colheita e na seleção de genótipos em programas do melhoramento da macaúba.

Made available in DSpace on 2015-05-14T13:21:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 4300715 bytes, checksum: 6618808ff4fc3b330190a5a4b7fe14f3 (MD5) Previous issue date: 2013-09-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work, a portable LED - NIR double beam micro-processor controlled photometer for non-destructive/non-invasive screening and quantitative analysis of injectable medicines was developed to assess conformity with values established by the Brazilian Pharmacopoeia. The product analyzed was injectable dipyrone (1g/2 mL) sold in amber colored vials of 1.1 cm outer diameter, and 6 cm in height. Initially, spectroscopic studies were carried out employing a commercial spectrophotometer to assess the best NIR spectrum regions that might be used. The instrument developed used two twin LEDs with NIR radiation emissions rated at 1050 ± 50 nm. Two InGaAs photodiodes (also identical), and a PIC18F455 microcontroller were used as well. The output of the instrument used a PIC microcontroller coupled to a 20x2 liquid crystal display which communicated with a PC by USB 2.0 for communication. The instrument evaluated commercial dipyrone injection samples using absorbance measurements made directly from ampoules of the injectable medicines. The photometer was calibrated with standard solutions of dipyrone, and its performance was evaluated by an analysis of 620 of the commercial dipyrone injection samples, where 320 were expired. The instrument had a high success rate for screening analysis (91%). For quantitative determination of the active dipyrone, a linear response was obtained [R2 = 0.9964, A = 0.0068 + 0.0043 C (% w/v)] in the concentration range of 5 to 60% m/v. We also obtained a low relative error of 0.40%, and good accuracy in the analyses with a relative standard deviation of 2.13%. / Neste trabalho foi desenvolvido um fotômetro LED-NIR duplo feixe microcontrolado e portátil para análise screening e quantitativa de medicamentos injetáveis de forma não destrutiva/não invasiva, visando investigar a conformidade desses com os valores estabelecidos na Farmacopéia Brasileira. O medicamento analisado foi a dipirona sódica injetável 1g/2mL, comercializados em ampolas de coloração âmbar. Foram realizados inicialmente estudos espectroscópicos empregando um espectrofotômetro comercial para avaliar quais as melhores regiões do espectro NIR que poderiam ser empregadas para a determinação da espécie de interesse. O instrumento desenvolvido utiliza dois LEDs-NIR com emissão de radiação nominal em 1050 ± 50 nm gêmeos (de mesmas especificações técnicas), dois fotodiodos de InGaAs também idênticos e um microcontrolador PIC18F455. Como dispositivos de saída do instrumento foram empregados o microcontrolador PIC acoplado a um display de cristal líquido 20x2, o qual também se comunica com um microcomputador portátil por comunicação USB 2.0. O instrumento foi avaliado com amostras comerciais de dipirona sódica injetável por medidas de absorbância efetuadas diretamente nas ampolas dos medicamentos injetáveis. O fotômetro foi calibrado com soluções padrão de dipirona e seu desempenho foi avaliado na análise de 620 amostras comerciais de dipirona injetável, das quais 320 apresentavam prazo de validade expirado. O instrumento obteve elevado índice de acerto para a análise screening (91%). Para determinação quantitativa do princípio ativo dipirona, uma resposta linear foi obtida [R2 = 0,9964, A = 0,0068 + 0,0043 C (% m/v)] na faixa de concentração de: 5 a 60 % m/v. Também foi obtido um baixo erro relativo conjunto (0,40 %) e boa precisão nas análises (desvio padrão relativo conjunto = 2,13%).

Made available in DSpace on 2015-05-14T13:21:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 6875549 bytes, checksum: 3697064e0b5c3d3ac90181f954575bc7 (MD5) Previous issue date: 2013-06-21 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Tea has an economic and cultural importance, not only for producers and consumers, but also for a scientific interest. The organoleptic quality of the Camellia sinensis infusion depends on the nature and amount of several secondary metabolites (such as polyphenols, caffeine, amino acids, etc.), which can be directly related to the geographical origin of the tea plants. These components are the basis of the economic value of teas and its beneficial effects on human health. Therefore, there is a growing consumer s interest in high quality teas with a distinct geographical identity. In last decades, the analytical methods employing modern instrumental techniques have become more sensitive, reliable and fast. However, these techniques have advantages and limitations for the application in the analyses of the tea quality and their geographic origins. Thus, a combination of different techniques could be more useful than relying on a single method. Following these principles, we propose three new strategies for simultaneous classification of teas according to both the type (green and black) and geographic origin (Argentina, Brazil and Sri Lanka). The proposed methodologies employ the use of (1) digital images, (2) NIR spectroscopy, and (3) chemical composition (moisture, ash, caffeine, total polyphenols, fluoride and fifteen metals (Na, Mg, Al, P, K, Ca, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd and Pb) in both tea leaves and infusions). A correct classification of all tea samples (100% of correct classification) was always obtained using the Linear Discriminant Analysis associated with the variable selection technique taken by the Successive Projections Algorithm. Soft Independent Modeling of Class Analogy (SIMCA) and Partial Least Squares Discriminant Analysis (PLS-DA) were also used. The proposed strategies might be useful for the development of legislation for the quality control of teas in Brazil, which is still lacking / O chá tem uma importância econômica e cultural, não só para produtores e consumidores, mas também por um interesse científico. A qualidade organoléptica da infusão da Camellia sinensis depende da natureza e da quantidade de vários metabólitos secundários (tais como polifenóis, cafeína, aminoácidos, etc.), os quais podem ser relacionados diretamente com a origem geográfica das plantas. Estes componentes são a base do valor econômico do chá e de seus efeitos benéficos sobre a saúde humana. Por isso, há um crescente interesse dos consumidores por chás de alta qualidade com uma clara identidade geográfica. Durante as últimas décadas, as metodologias analíticas que empregam técnicas instrumentais modernas tornaram-se mais sensíveis, confiáveis e rápidas. Entretanto, tais técnicas têm vantagens e limitações para a aplicação da análise da qualidade do chá e de suas origens geográficas. Assim, uma combinação de diferentes técnicas analíticas pode ser mais útil do que depender de um único método. Seguindo estes preceitos, nós propusemos três novas estratégias para a classificação simultânea de chás de acordo com o tipo (verde e preto) e a origem geográfica (Argentina, Brasil e Sri Lanka). As metodologias propostas empregam o uso de (1) imagens digitais, (2) espectroscopia NIR e (3) composição química (umidade, cinza total, cafeína, polifenóis totais, fluoreto e quinze metais (Na, Mg, Al, P, K, Ca, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd e Pb) nas folhas e infusões dos chás). Uma classificação correta de todas as amostras de chás (100% de acerto) foi sempre obtida utilizando Análise Discriminante Linear associada à técnica de seleção de variáveis feita pelo Algoritmo das Projeções Sucessivas (SPA-LDA). Modelagem Independente e Flexível por Analogia de Classe (SIMCA) e Análise Discriminante por Mínimos Quadrados Parciais (PLS-DA) também foram utilizadas. Tais estratégias podem ser úteis para a elaboração de normas para o controle de qualidade de chás no Brasil, que ainda é inexistente

O trabalho teve o objetivo de investigar técnicas de sensoriamento de solo e analisar o potencial de utilização das mesmas diretamente no campo. Quatro etapas distintas foram desenvolvidas para atender aos seguintes objetivos: a) comparar e avaliar o potencial de predição de atributos do solo de três espectrômetros portáteis (vis-NIR) em ambiente controlado; b) avaliar a predição em movimento de pH, P e K utilizando técnicas de sensoriamento óptico (reflectância vis-NIR) e eletroquímico (eletrodos íon-seletivos de pH e K) em uma área experimental com variabilidade induzida; c) montar e testar uma plataforma de campo com sensores elétricos, eletroquímicos e ópticos; d) avaliar o potencial de predição de textura do solo utilizando um equipamento portátil de espectroscopia de fluorescência de raios X. Na primeira etapa as leituras de reflectância espectral vis-NIR dos três equipamentos avaliados mostraram-se muito semelhantes, com coeficientes de correlação acima de 0,86 na faixa de 400 a 1800 nm. Quando comparados nesta região espectral os equipamentos produziram modelos de predição muito semelhantes, com leve superioridade para o sistema FieldSpec. Os modelos mostraram-se mais promissores para a predição da textura do solo em relação aos atributos químicos. Na segunda etapa as leituras de campo utilizando eletrodos íon-seletivos de pH e K apresentaram uma alta correlação com as análises de laboratório. As avaliações permitiram observar que condições de solo com baixa umidade prejudicam sensivelmente as leituras. Apesar da alta correlação, os valores de campo precisam ser corrigidos para a metodologia de laboratório desejada. Os modelos de predição de P, K e pH utilizando espectrometria vis-NIR no campo apresentaram baixa precisão. Os testes da Plataforma Multisensores de Solo (PMS) na terceira etapa demonstraram ser possível a utilização de sensores elétricos, eletroquímicos e ópticos em uma mesma plataforma. As leituras de condutividade elétrica aparente do solo (CEa) demonstraram que este parâmetro está relacionado com a textura, atuando como um indicador da variabilidade e possibilitando a identificação dos locais de transição de textura. O pH mensurado pela PMS exibiu correlações abaixo das verificadas na segunda etapa. No entanto, alguns resultados atípicos foram verificados, como a correlação maior entre pH em CaCl2 com a PMS do que em relação ao método em H2O. As leituras de reflectância vis-NIR utilizando a PMS apresentaram bons modelos de predição de areia e argila, permitindo a criação de mapas de alta resolução destes parâmetros. A espectroscopia de fluorescência de raios X portátil foi eficiente para estimar a textura do solo. Os teores de areia e argila foram estimados tanto por meio de regressões lineares simples como regressões múltiplas com valores de R2 acima de 0,60. O Fe total foi o principal elemento utilizado nesses modelos de regressão. / The objective of this work was to investigate soil sensing techniques and to analyze the potential for their use directly in the field. Four distinct steps were developed to meet the following objectives: a) to compare and evaluate the potential of predicting soil attributes with three portable spectrometers (vis-NIR) in a controlled environment; B) to evaluate the on-the-go prediction of pH, P and K using optical sensors (vis-NIR reflectance) and electrochemical techniques (ion-selective pH and K electrodes) in an experimental area with induced variability; C) assemble and test a field platform with electrical, electrochemical and optical sensors; D) to evaluate the potential of predicting soil texture using a portable X-ray fluorescence spectroscopy equipment. In the first step the vis-NIR spectral reflectance readings of the three equipments evaluated were very similar, with correlation coefficients above 0.86 in the 400 to 1800 nm range. When compared in this spectral region, the equipment produced very similar prediction models, with slight superiority for the FieldSpec system. The models showed to be more promising for the prediction of soil texture in relation to chemical attributes. In the second step the field readings using ion-selective pH and K electrodes presented a high correlation with the laboratory analyzes. The evaluations showed that soil conditions with low moisture significantly affect the readings. Despite the high correlation, the field values need to be corrected for the desired laboratory methodology. Prediction models of P, K and pH using field-vis-NIR spectrometry showed low precision. The tests of the Multisensors Soil Platform (MSP) in the third stage demonstrated that it is possible to use electric, electrochemical and optical sensors in the same platform. The electrical conductivity (EC) readings showed that this parameter was related with soil texture, acting as an indicator of variability and allowing the identification of texture transitions. The pH measured by MSP exhibited correlations below those verified in the second step. However, some atypical results were verified, such as the higher correlation between pH in CaCl2 and MSP than in H2O. The vis-NIR reflectance readings using the MSP resulted in good sand and clay prediction models, allowing the creation of high resolution maps of these parameters. Portable X-ray fluorescence spectroscopy was efficient for estimating soil texture. The sand and clay contents were estimated both by simple linear regressions and multiple regressions with R2 values above 0.60. Total Fe was the main element used in these regression models.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-09-02T13:38:23Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação_Rafaella de Figueiredo Sales.pdf: 2788155 bytes, checksum: 95e4d0c2ca7494069abdc945b186152e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-02T13:38:23Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação_Rafaella de Figueiredo Sales.pdf: 2788155 bytes, checksum: 95e4d0c2ca7494069abdc945b186152e (MD5) Previous issue date: 2016-02-19 / PETROBRÁS / PRH - 28 / O biodiesel é considerado um potencial substituto para os combustíveis de origem fóssil. Geralmente, esse biocombustível é produzido através da transesterificação de óleos vegetais ou gordura animal utilizando um álcool de cadeia curta. A vasta aplicação industrial da transesterificação para produção de biodiesel requer um cuidadoso monitoramento do processo e modelagem dessa reação, orientados para um melhor entendimento e para a otimização do processo. Além disso, o controle do processo é de fundamental importância para garantir a qualidade do biodiesel de forma constante, uniforme e atendendo às especificações necessárias para a sua comercialização. Dentre as técnicas existentes para o monitoramento de reações, a espectroscopia no infravermelho próximo permite uma análise rápida e não destrutiva, podendo ser utilizada para o monitoramento in-line de processos. Nesse contexto, o presente trabalho descreve o monitoramento in-line da produção de biodiesel por transesterificação de óleo de soja com metanol utilizando a espectroscopia na região do infravermelho próximo. As reações foram conduzidas em batelada com controle de temperatura e velocidade de agitação. Dois estudos diferentes foram então realizados a partir dos dados espectroscópicos coletados ao longo das reações. A primeira abordagem consistiu na implementação de estratégias de controle estatístico multivariado e de qualidade, baseadas em métodos de projeção multivariada. Nesse estudo, modelos de referência baseados em dois métodos diferentes (tempo real e após o término da batelada) foram desenvolvidos usando bateladas sob condições normais de operação (concentração de catalisador NaOH de 0,75% em massa em relação à massa de óleo de soja, temperatura de 55°C e velocidade de agitação de 500 rpm). Foram avaliadas diferentes técnicas de pré-processamento espectral, bem como estratégias para desdobramento da matriz de dados espectrais. Posteriormente, bateladas submetidas a diferentes perturbações (relacionadas à adição de água e a mudanças na temperatura, na velocidade de agitação, na concentração de catalisador e na matéria prima utilizada) foram produzidas para avaliar o desempenho dos diferentes modelos em relação às suas capacidades de detectar falhas de operação. De um modo geral, as cartas de controle desenvolvidas foram capazes de detectar a maioria das falhas intencionalmente produzidas ao longo do processo. Apenas pequenas perturbações na velocidade de agitação não foram identificadas. A segunda abordagem baseou-se no estudo do comportamento cinético da metanólise do óleo de soja em diferentes condições de temperatura (20, 45 e 55°C) e de concentração de catalisador (0,75 e 1,0% m/m de NaOH). Nesse estudo, a modelagem cinética foi realizada a partir dos perfis de concentração do éster metílico estimados utilizando o método de Resolução multivariada de curvas com mínimos quadrados alternantes com restrição de correlação. Os perfis de concentração obtidos permitiram o desenvolvimento de um estudo cinético simplificado da reação, a qual foi considerada como seguindo uma cinética de pseudo-primeira ordem baseada na concentração do éster metílico para a reação global de transesterificação. O modelo cinético incluiu apenas o regime pseudo-homogêneo, em que é observada uma rápida taxa de reação e a cinética está controlada pela reação química. Para esse regime, obteve-se uma energia de ativação de 32,29 kJ.mol-1, com base na equação de Arrhenius. / Biodiesel is considered a potential substitute for fossil fuels. In general, this biofuel is produced by transesterification of vegetable oils or animal fats using a short-chained alcohol. The wide industrial application of transesterification for biodiesel production requires a thorough process monitoring and modeling of this reaction, oriented to a better understanding and optimization of the process. Moreover, process control is of utmost importance to ensure in a constant and uniform way the biodiesel quality in order to meet commercialization requirements. Among the existing techniques applied for reaction monitoring, near infrared spectroscopy allows a fast and non-destructive analysis, being able to be used for in-line process monitoring. In this context, the present work describes the in-line monitoring of biodiesel production by transesterification of soybean oil with methanol using near infrared spectroscopy. Reactions were carried out in batch reactors with temperature and agitation speed control. Two different studies were then carried out from spectroscopic data collected throughout the reactions. The first approach consisted of the implementation of multivariate statistic and quality control strategies, based on multivariate projection methods. In this study, reference models based on two different methods (real time and end of batch) were developed using batches under normal operating condition (0.75 w/w% of catalyst NaOH with respect to the amount of oil, temperature of 55ºC and stirring speed of 500 rpm). Different techniques for pre-processing and unfolding the spectral data were evaluated. Afterwards, batches subjected to different disturbances (related with water addition and changes in the temperature, agitation speed, catalyst content and raw material used) were manufactured to assess the performance of the different models in terms of their capability for fault detection. In general, the control charts developed were able to detect most of the failures intentionally produced during the batch runs. Only small variations in the stirring spend were not detected. The second approach was based on the study of the kinetic behavior of the soybean oil methanolysiscarried out with different temperatures (20, 44 and 55°C) and catalyst (NaOH) concentrations (0.75 and 1.0 w/w% based onoil weight). In this study, the kinetic modelling was developed from methyl ester concentration profiles estimated by Multivariate curve resolution alternating least squares with correlation constraint. The obtained concentration profiles allowed the development of a simplified kinetic model of the reaction, which was considered to follow a pseudo-first order overall kinetics based on methyl ester concentration for global transesterification reaction. The kinetic model included only the pseudo-homogeneous regime where the overall process kinetics is under chemical reaction control and a fast methanolysis rate is observed. For this regime, the activation energy was 32.29 kJ.mol-1, based on Arrhenius equation.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-09-02T14:13:49Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação_Rafaella de Figueiredo Sales.pdf: 2788155 bytes, checksum: 95e4d0c2ca7494069abdc945b186152e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-02T14:13:49Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação_Rafaella de Figueiredo Sales.pdf: 2788155 bytes, checksum: 95e4d0c2ca7494069abdc945b186152e (MD5) Previous issue date: 2016-02-19 / PETROBRAS/ PRH 28 / O biodiesel é considerado um potencial substituto para os combustíveis de origem fóssil. Geralmente, esse biocombustível é produzido através da transesterificação de óleos vegetais ou gordura animal utilizando um álcool de cadeia curta. A vasta aplicação industrial da transesterificação para produção de biodiesel requer um cuidadoso monitoramento do processo e modelagem dessa reação, orientados para um melhor entendimento e para a otimização do processo. Além disso, o controle do processo é de fundamental importância para garantir a qualidade do biodiesel de forma constante, uniforme e atendendo às especificações necessárias para a sua comercialização. Dentre as técnicas existentes para o monitoramento de reações, a espectroscopia no infravermelho próximo permite uma análise rápida e não destrutiva, podendo ser utilizada para o monitoramento in-line de processos. Nesse contexto, o presente trabalho descreve o monitoramento in-line da produção de biodiesel por transesterificação de óleo de soja com metanol utilizando a espectroscopia na região do infravermelho próximo. As reações foram conduzidas em batelada com controle de temperatura e velocidade de agitação. Dois estudos diferentes foram então realizados a partir dos dados espectroscópicos coletados ao longo das reações. A primeira abordagem consistiu na implementação de estratégias de controle estatístico multivariado e de qualidade, baseadas em métodos de projeção multivariada. Nesse estudo, modelos de referência baseados em dois métodos diferentes (tempo real e após o término da batelada) foram desenvolvidos usando bateladas sob condições normais de operação (concentração de catalisador NaOH de 0,75% em massa em relação à massa de óleo de soja, temperatura de 55°C e velocidade de agitação de 500 rpm). Foram avaliadas diferentes técnicas de pré-processamento espectral, bem como estratégias para desdobramento da matriz de dados espectrais. Posteriormente, bateladas submetidas a diferentes perturbações (relacionadas à adição de água e a mudanças na temperatura, na velocidade de agitação, na concentração de catalisador e na matéria prima utilizada) foram produzidas para avaliar o desempenho dos diferentes modelos em relação às suas capacidades de detectar falhas de operação. De um modo geral, as cartas de controle desenvolvidas foram capazes de detectar a maioria das falhas intencionalmente produzidas ao longo do processo. Apenas pequenas perturbações na velocidade de agitação não foram identificadas. A segunda abordagem baseou-se no estudo do comportamento cinético da metanólise do óleo de soja em diferentes condições de temperatura (20, 45 e 55°C) e de concentração de catalisador (0,75 e 1,0% m/m de NaOH). Nesse estudo, a modelagem cinética foi realizada a partir dos perfis de concentração do éster metílico estimados utilizando o método de Resolução multivariada de curvas com mínimos quadrados alternantes com restrição de correlação. Os perfis de concentração obtidos permitiram o desenvolvimento de um estudo cinético simplificado da reação, a qual foi considerada como seguindo uma cinética de pseudo-primeira ordem baseada na concentração do éster metílico para a reação global de transesterificação. O modelo cinético incluiu apenas o regime pseudo-homogêneo, em que é observada uma rápida taxa de reação e a cinética está controlada pela reação química. Para esse regime, obteve-se uma energia de ativação de 32,29 kJ.mol-1, com base na equação de Arrhenius. / Biodiesel is considered a potential substitute for fossil fuels. In general, this biofuel is produced by transesterification of vegetable oils or animal fats using a short-chained alcohol. The wide industrial application of transesterification for biodiesel production requires a thorough process monitoring and modeling of this reaction, oriented to a better understanding and optimization of the process. Moreover, process control is of utmost importance to ensure in a constant and uniform way the biodiesel quality in order to meet commercialization requirements. Among the existing techniques applied for reaction monitoring, near infrared spectroscopy allows a fast and non-destructive analysis, being able to be used for in-line process monitoring. In this context, the present work describes the in-line monitoring of biodiesel production by transesterification of soybean oil with methanol using near infrared spectroscopy. Reactions were carried out in batch reactors with temperature and agitation speed control. Two different studies were then carried out from spectroscopic data collected throughout the reactions. The first approach consisted of the implementation of multivariate statistic and quality control strategies, based on multivariate projection methods. In this study, reference models based on two different methods (real time and end of batch) were developed using batches under normal operating condition (0.75 w/w% of catalyst NaOH with respect to the amount of oil, temperature of 55ºC and stirring speed of 500 rpm). Different techniques for pre-processing and unfolding the spectral data were evaluated. Afterwards, batches subjected to different disturbances (related with water addition and changes in the temperature, agitation speed, catalyst content and raw material used) were manufactured to assess the performance of the different models in terms of their capability for fault detection. In general, the control charts developed were able to detect most of the failures intentionally produced during the batch runs. Only small variations in the stirring spend were not detected. The second approach was based on the study of the kinetic behavior of the soybean oil methanolysiscarried out with different temperatures (20, 44 and 55°C) and catalyst (NaOH) concentrations (0.75 and 1.0 w/w% based onoil weight). In this study, the kinetic modelling was developed from methyl ester concentration profiles estimated by Multivariate curve resolution alternating least squares with correlation constraint. The obtained concentration profiles allowed the development of a simplified kinetic model of the reaction, which was considered to follow a pseudo-first order overall kinetics based on methyl ester concentration for global transesterification reaction. The kinetic model included only the pseudo-homogeneous regime where the overall process kinetics is under chemical reaction control and a fast methanolysis rate is observed. For this regime, the activation energy was 32.29 kJ.mol-1, based on Arrhenius equation.

A B S T R A C T title: Multimodal Image Processing in Art Investigation author: Jan Blažek department: Department of Image Processing, IITA of the CAS supervisor: RNDr. Barbara Zitová PhD., Institute of Information Theory and Automation supervisor's e-mail address: zitova@utia.cas.cz abstract: Art investigation and digital image processing demar- cate an interdisciplinary field of the presented thesis. Over the past 8 years we have published thirteen papers belonging to this field of research. This thesis presents the current state of the art and puts these papers into context. Our research is focused on modalities in the visible and near-infrared parts of the spectrum and affects vari- ous tasks of art investigation. For studying the spectral response of paint materials, we suggest a low-cost mobile multi-band acquisition system and a calibration method extended by a light source with an adjustable wavelength. We created the m3art database of the spectral responses of pigments, available for comparison and public use. The central point of our research is underdrawing detection and visual- ization. For this purpose we have developed: acquisition guidelines based on optical properties of the topmost non-transparent layer, a visualization technique for comparison of modalities, and a signal separation technique...

[pt] Os dispositivos orgânicos de conversão ascendente são dispositivos eletrônicos que convertem luz infravermelha em luz visível. Para isso, utilizam fotodetectores orgânicos com bandas de absorção na faixa do infravermelho próximo (NIR) que absorvem fótons de baixa energia e, utilizando uma determinada arquitetura de filmes finos orgânicos capazes de transportar, bloquear e recombinar portadores de carga, emitem fótons de mais alta energia na faixa visível. Nos últimos anos, os OUDs tornaram-se candidatos-chave para uma ampla gama de aplicações em medicina, comunicação óptica, segurança, sensores químicos e biológicos, entre outras. O caminho percorrido até hoje na construção desses dispositivos é consideravelmente curto, devido à sua complexidade de fabricação e aos desafios técnicos necessários para alcançar boas eficiências e estabilidade operacional, motivo pelo qual tem poucos trabalhos na literatura. Pelo anterior, esse trabalho visou contribuir na pesquisa dos OUDs, explorando seu funcionamento desde novas arquiteturas não reportadas. Assim, foram fabricados OUDs por deposição térmica resistiva com diferentes ftalocianinas e naftalocianinas como camadas fotodetectoras: a ftalocianina de estanho SnPc, a naftalocianina de estanho SnNc e a ftalocianina de cloroalumínio ClAlPc, todas apresentando bandas de absorção no NIR. Uma vez fabricados os dispositivos foram caracterizados do ponto de vista elétrico (curvas de corrente em função da voltagem) e óptico (luminância) no Laboratório de Optoeletrônica Molecular (LOEM). Como resultado, a naftalocianina SnNc apresentou os melhores parâmetros de desempenho: densidade de corrente da ordem de 10-2 𝑚𝐴 𝑐 𝑚 22, razão de brilho 𝐿 𝑁𝐼𝑅 𝐿 𝐷𝐴𝑅𝐾 por volta de 2350 em 12 V e eficiência de conversão fóton–fóton de 4,8%. Os demais compostos, SnPc e ClAlPc, também apresentaram resultados favoráveis para seus parâmetros, atingindo eficiências de conversão fóton–fóton de 3,7% e 3,4% respectivamente. / [en] Organic Up-Conversion Devices (OUDs) are electronic devices that convert infrared light into visible light. To achieve this, they utilize organic photodetectors with absorption bands in the near-infrared (NIR) range that absorb low-energy photons. By using a specific architecture of organic thin films capable of transporting, blocking, and recombining charge carriers, they emit higher-energy photons in the visible range. In recent years, OUDs have become key candidates for a wide range of applications in medicine, optical communication, security, chemical and biological sensors, among others. The path taken so far in the construction of these devices is considerably short due to their manufacturing complexity and the technical challenges required to achieve good efficiencies and operational stability. This is why there are few works in the literature on this subject. Given this context, this work aimed to contribute to the research on OUDs by exploring some characteristics and investigating their operation using previously unreported architectures. Thus, OUDs were fabricated by resistive thermal deposition using different phthalocyanines and naphthalocyanines as photodetector layers: tin phthalocyanine SnPc, tin naphthalocyanine SnNc, and chloroaluminum phthalocyanine ClAlPc, all presenting absorption bands in the NIR. Once the devices were fabricated, they were characterized from an electrical perspective (current-voltage curves) and an optical perspective (luminance) at the Molecular Optoelectronics Laboratory (LOEM). As a result, naphthalocyanine SnNc exhibited the best performance parameters: current density of the order of 10-2 𝑚𝐴 𝑐 𝑚 22, brightness ratio 𝐿 𝑁𝐼𝑅 𝐿 𝐷𝐴𝑅𝐾 of around 2350 at 12 V, and photon–photon conversion efficiency of 4.8%. The other compounds, SnPc and ClAlPc, also showed favorable results for their parameters, achieving photon–photon conversion efficiencies of 3.7% and 3.4%, respectively.

[pt] Corpos relativamente pequenos do sistema solar não possuem atmosfera (ou muito rarefeita, chamada exosfera) e nem campo magnético: encontram-se praticamente desprotegidos da influência do ambiente espacial no qual estão inseridos. Tais corpos (como a maioria dos asteroides, luas e cometas distantes do Sol), estão sujeitos aos efeitos do chamado intemperismo espacial. Com o objetivo de simular e estudar este fenômeno em laboratório, três amostras de meteoritos do tipo condrito ordinário foram irradiadas por feixes de H(positivo) com energia de 1,0 MeV. Uma das amostras foi, também, irradiada por feixe de N(positivo) de 2,0 MeV. Os efeitos da irradiação foram monitorados por espectroscopias Raman e UV-VIS-NIR. Os resultados Raman mostram variações sistemáticas do número de onda, da intensidade e da largura das bandas vibracionais estudadas, evidências de modificações estruturais. As seções de choque de destruição das ligações Si-O presentes nas estruturas cristalinas foram determinadas. A espectroscopia UV-VIS-NIR por refletância de esfera integrada foi usada para monitorar as modificações nas características espectrais. Os espectros obtidos mostram escurecimento e avermelhamento progressivos das amostras irradiadas; a amplitude destas modificações depende do conteúdo inicial de ferro na estrutura. É proposto que o avermelhamento observado com o aumento da fluência (ou dose) da irradiação deve-se ao aumento do coeficiente de absorção na faixa azul que, por sua vez, decorre da diminuição do gap óptico do material. Estes resultados são relevantes para a modelagem da evolução físico-química de asteroides expostos ao vento solar. / [en] Relatively small bodies in the solar system have no atmosphere (or very thin, called the exosphere) and no magnetic field: they are virtually unprotected from the influence of the space environment in which they are inserted. Such bodies (like most asteroids, moons, and comets far from the sun), are subject to the effects of so-called space weathering. To simulate and study this phenomenon in the laboratory, three samples of ordinary chondrite meteorites were irradiated by H(positive) beams with 1.0 MeV energy. One of the samples was also irradiated by a 2.0 MeV N(positive) beam. The effects of irradiation were monitored by Raman and UV-VIS-NIR spectroscopies. The Raman results show systematic variations in the wavenumber, intensity, and width of the studied vibrational bands, evidence of structural modifications. The shock sections of the destruction of Si-O bonds present in the crystalline structures were determined. Integrated sphere reflectance UV-VIS-NIR spectroscopy was used to monitor changes in spectral characteristics. The obtained spectra show progressive darkening and reddening of the irradiated samples; The extent of these modifications depends on the initial iron content in the structure. It is proposed that the redness observed with the increase of irradiation creep (or dose) is due to the increase in the absorption coefficient in the blue band, which, in turn, results from the decrease of the optical gap of the material. These results are relevant for modeling the physicochemical evolution of asteroids exposed to the solar Wind.