The present work had as objective to study the hydration process of grains and its possible enhancement using the ultrasound technology. For that, it was studied the hydration kinetics of different grains (Andean lupin, Adzuki beans, sorghum grains and corn kernels) correlating the morphology with mathematical models and the mass transfer mechanisms. Moreover, the effect of the soaking water temperature and the grain initial moisture content were studied to complement the description of this process. The ultrasound application was studied for improving the hydration process, describing the possible mechanisms (direct and indirect effects) that improve the mass transfer process. Therefore, it was established the way by how water enters in the studied grains, demonstrating that the water transfer into the grains is a complex phenomenon and takes place not only due to diffusional mechanisms, but also by capillarity. In addition, suitable mathematical models were proposed and used to explain the processes, describing their parameters according to the grains morphology and the mass transfer mechanisms. Further, it was determined how ultrasound enhances the mass transfer and in which conditions the direct (inertial flow and sponge effect) and the indirect effects (micro channels formation by acoustic cavitation) take place in the process, maximizing the effect of this technology. Finally, it was demonstrated that the ultrasound technology enhanced the hydration process for corn kernels, reducing significantly the process time in approximately 35 %, without modifying the thermal, structural and rheological properties of their starch. In conclusion, the present work improved the description of the grain hydration phenomenon and proved that the ultrasound technology can be used to enhance this process without changing its main industrial component. It is highlighted that the obtained results are thus high desirable for both the industrial and academic point of view. / O presente trabalho teve como objetivo estudar o processo de hidratação de grãos e sua possível melhora usando a tecnologia do ultrassom. Estudou-se a cinética de hidratação de diferentes grãos (tremoço andino, feijão Adzuki, grãos de sorgo e grãos de milho) correlacionando a morfologia com modelos matemáticos e os mecanismos de transferência de massa. Também foi estudado o efeito da temperatura e o conteúdo de umidade inicial do grão para complementar a descrição deste processo. Estudou-se a aplicação do ultrassom no processo de hidratação descrevendo-se os possíveis mecanismos (efeito diretos e indiretos) que melhoram a transferência de massa. Como resultado, foi estabelecida a forma como a água entra nos grãos estudados, demostrando que a transferência de água dentro dos grãos é um fenômeno complexo e que acontece por difusão e capilaridade. Foram propostos e utilizados modelos matemáticos apropriados para explicar os processos, descrevendo os parâmetros de acordo com a morfologia dos grãos e os mecanismos de transferência de massa. Ainda, determinou-se como o ultrassom melhora a transferência de massa e em que condições do processo acontecem os efeitos diretos (fluxo inercial e efeito esponja) e efeitos indiretos (formação de micro canais pela cavitação acústica), maximizando o efeito dessa tecnologia. Finalmente, demonstrou-se que a tecnologia do ultrassom melhora o processo de hidratação de grãos de milho, diminuindo significativamente o tempo do processo em cerca de 35 % sem alterar as propriedades térmicas, reológicas e estruturais do seu amido. Como conclusão, o presente trabalho melhorou a descrição de como os grãos são hidratados, demonstrando que o ultrassom pode ser usado para melhorar o processo de hidratação de grãos sem alterar os seus principais produtos industriais. Ressalta-se que os resultados obtidos são desejáveis tanto do ponto de vista acadêmico quanto industrial.

A literatura corrente possui informações limitadas sobre o projeto da área de troca térmica de tanques com jaqueta, serpentina helicoidal, serpentina espiral e chicana tubular vertical, em operação com fluidos não-Newtonianos. A presente tese teve por objetivo principal analisar a transferência de calor, potência consumida e ampliação de escala em tanques com impulsores mecânicos na agitação de fluidos não-Newtonianos com duas superfícies de transmissão de calor, chicana tubular vertical e serpentina em espiral. O trabalho também visou fornecer métodos de ampliação de escala de tanques com agitação para fluidos não-Newtonianos que sigam o modelo reológico da lei das potências. A unidade experimental contemplou dois tanques de acrílico, com volume de 10 litros e 50 litros, respectivamente, chicanas tubulares verticais e serpentina em espiral. Os impulsores mecânicos utilizados foram o axial com 4 pás inclinadas a 45° e o radial turbina com 6 pás planas. Como fluidos utilizaram-se soluções aquosas de carboximetilcelulose (0,5%, 1,0% e 1,5%), solução aquosa de carbopol 940 (1,5%), solução aquosa de sacarose (50%) e água. Todos os experimentos foram conduzidos em batelada. Com os dados obtidos, empregou-se o uso de regressões para a obtenção da Equação de Nusselt, as quais forneceram valores de coeficiente de determinação ajustados entre 0,83 e 0,89 com Reynolds no intervalo de 20 a 405000, Prandtl na faixa de 4 a 6400 e índice reológico do modelo da lei das potências entre 0,45 e 1,00. Observou-se que no aquecimento realizado com a chicana tubular vertical, o impulsor radial forneceu coeficientes de convecção 20% acima quando comparado com o impulsor axial, entretanto o consumo de potência foi cerca de 66% maior em relação ao impulsor axial. No caso da serpentina espiral, o impulsor axial promoveu coeficientes de convecção por volta de 15% superiores em relação ao impulsor radial com um consumo de potência 65% menor. Desse modo, em processos em que não é necessária uma elevada turbulência, recomenda-se o uso do impulsor axial com a serpentina espiral, porém, se o processo demandar uma turbulência significativa, deve-se usar o impulsor radial com a chicana tubular vertical. Em uma última análise, os modelos não-lineares obtidos para ampliação de escala forneceram erros entre 11% e 20% na predição da rotação no tanque industrial, os quais são válidos para Reynolds modificados de Metzner e Otto (1957) na faixa de 20 a 4000 e para fluidos não-Newtonianos pseudoplásticos com índices reológicos entre 0,45 e 1,00. / Current literature has limited information on the design of the thermal exchange area of tanks with jacket, helical coil, spiral coil and vertical tuber baffle, in operation with non-Newtonian fluids. The main purpose of this thesis was to analyze heat transfer, power consumption and scale-up in tanks with mechanical impellers in the agitation of non-Newtonian fluids with two heat transfer surfaces, vertical tube baffle and spiral coil. The work also aimed to provide methods of scale-up tank scale with agitation for non-Newtonian fluids that follow the rheology model of the law of powers. The experimental unit included two acrylic tanks, with a volume of 10 liters and 50 liters, respectively, vertical tube baffles and spiral coil. The mechanical impellers used were the 45° pitched blade turbine (PBT) and the Rushton turbine (RT). Aqueous solutions of carboxymethylcellulose (0.5%, 1.0% and 1.5%), aqueous solution of carbopol 940 (1.5%), aqueous solution of sucrose (50%) and water were used as fluids. All the experiments were conducted in batch. With the obtained data, we used the regressions to obtain the Nusselt Equation, which provided coefficient of determination values adjusted between 0.83 and 0.89 with Reynolds in the range of 20 to 405000, Prandtl in the range of 4 to 6400 and rheological index of the power law model between 0.45 and 1.00. It was observed that in the heating performed with the vertical tube baffle, the RT provided convection coefficients 20% higher when compared to the axial impeller, however the power consumption was about 66% higher in relation to the PBT. In the case of the spiral coil, the PBT promoted convection coefficients around 15% higher than the RT with 65% lower power consumption. Thus, in processes where high turbulence is not required, it is recommended to use the PBT with the spiral coil, but if the process requires significant turbulence, the RT must be used with the vertical tubular chassis. In a final analysis, the nonlinear models obtained for scaling provided errors between 11% and 20% in the prediction of rotation in the industrial tank, which are valid for Metzner and Otto (1957) modified Reynolds in the range of 20 to 4000 and for non-Newtonian pseudoplastic fluids with rheological indexes between 0.45 and 1.00.

A cristalização assistida por destilação com membranas (membrane distillation crystallization, MDC) se destaca como uma alternativa aos processos convencionais de cristalização evaporativa com múltiplos estágios e/ou recompressão mecânica de vapor para dessalinização de soluções aquosas concentradas com descarga zero de líquido (zero liquid discharge, ZLD) no meio ambiente. Os principais atrativos da MDC são as condições operacionais mais brandas de temperatura e pressão, o que possibilita o emprego de fontes de calor de baixa entalpia e instalações menos requisitadas mecanicamente. Entretanto, por ser um processo de separação que envolve membranas, a formação de incrustação se destaca como inconveniente. Assim sendo, grande parte dos estudos em MDC têm sido voltados para essa questão, com foco na operação de destilação com membranas (membrane distillation, MD), quando o produto de interesse é a água recuperada. Nesse contexto, esta tese amplia o conhecimento na área, sendo estudados os fundamentos de cristalização e a sua relação com parâmetros selecionados do processo. Dessa forma, estudos teórico-experimentais foram conduzidos investigando os mecanismos de cristalização predominantes nesse, de maneira a ampliar a abrangência das teorias clássicas de cristalização. No primeiro capítulo, realizou-se uma revisão bibliográfica a fim de apresentar os fundamentos tecnológicos, bem como as características, limitações e desafios para consolidação em escala industrial da MDC. No segundo capítulo, foi definido o conhecimento científico produzido através da especificação de objetivos. No terceiro capítulo, a operação MD na configuração DCMD (direct contact membrane distillation) foi caracterizada utilizando equações matemáticas para o cálculo do fluxo de vapor. Os valores calculados foram validados com experimentos em escala de bancada. Foi possível identificar que a difusão ordinária molecular é o mecanismo de transporte de massa dominante nos poros da membrana, e quantificar os fenômenos de polarizações de temperatura e de concentração adjacentes à superfície da membrana. No quarto capítulo, a cristalização foi integrada com a DCMD e explorada em uma unidade de bancada. Os processos elementares e acessórios de cristalização predominantes foram esclarecidos como sendo nucleação primária heterogênea (incrustação por cristalização), nucleação secundária (abrasão de cristais) e crescimento cristalino molecular (aumento de tamanho). O quinto capítulo versou sobre uma estratégia proposta para reduzir a nucleação primária heterogênea, força motriz da incrustação por cristalização na membrana. Com base nos processos elementares e acessórios de cristalização identificados, foi avaliada uma modificação na MDC, a submersão de membranas em cristalizador, a qual foi implementada em escala de bancada. Essa modificação se mostrou mais sensível à formação de incrustação, com possibilidade de se encontrar condições favoráveis, uma vez que foi possível operar o processo durante três horas sem desenvolvimento de incrustação na membrana (tempo máximo investigado), mas precisa ser melhor investigada. Por último, no sexto capítulo abordou-se a nucleação primária heterogênea, relacionando esta com a queda de fluxo de vapor e com a distribuição de sólidos formados. O equacionamento do sistema validado no terceiro capítulo foi aplicado para quantificação da supersaturação local na membrana e respectiva associação com os mecanismos de cristalização. Observou-se que o aumento de fluxo aumenta a supersaturação local, que aumenta a nucleação primária heterogênea, sendo essa responsável pela formação de cristais que permaneceram aderidos na membrana (incrustação por cristalização) e que foram soltos em solução (suspensão). Os cristais soltos em solução são predominantes. A fluidodinâmica de escoamento (geometria dos módulos de membranas) associada à supersaturação local (fluxo de vapor) impactam no desprendimento de cristais na membrana originados por nucleação primária heterogênea. Com o aumento de supersaturação local, o desprendimento de cristais em suspensão é favorecido em módulo de membranas do tipo fibras ocas, enquanto não afeta o módulo do tipo tubular. Em seu conjunto, esta tese contribui para a melhoria do entendimento de aspectos fundamentais selecionados do processo MDC e para o emprego deste conhecimento em situações de interesse prático. / Membrane distillation crystallization (MDC) stand as an alternative to conventional evaporative crystallization processes with multiple-stage evaporator and/or mechanical vapor recompression towards concentrated brine desalination aiming at zero liquid discharge (ZLD) in the environment. The major advantages of MDC are the moderate temperature and pressure conditions, which allow the use of low enthalpy heat sources and facilities less mechanically required. However, as in membrane separation processes, membrane fouling plays an important role in MDC. Therefore, most MDC studies have been focused on that, with emphasis on membrane distillation (MD) operation, when the product of interest is the recovered water. In this context, this thesis extends the knowledge in the field, wherein the crystallization fundamentals and its relation with selected process parameters were studied. Thus, theoretical and experimental approaches were carried out in order to investigate the prevailing crystallization mechanisms in the process, so the range of the current crystallization theories could be extended. In the first chapter, a literature review was carried out in order to introduce selected fundamental concepts, as well as the process characteristics, limitations and challenges for industrial consolidation. In the second chapter, the scientific knowledge produced by this work was defined in its objectives. In the third chapter, the MD operation in direct contact configuration (DCMD) was characterized using mathematical equations for the calculation of vapor flux and validated with experimental data in a bench scale unit. The dominant mechanism of mass transport in porous media was found to be the ordinary molecular diffusion and the temperature and concentration polarization effects were quantified in the vicinity of membrane surface. In the fourth chapter, the crystallization operation was integrated with DCMD and investigated in a bench scale unit. The elementary and accessory crystallization mechanisms were highlighted as heterogeneous primary nucleation (crystallization fouling), secondary nucleation (crystal abrasion) and crystalline molecular growth (increase in size). The fifth chapter describes a strategy proposed in order to reduce heterogeneous primary nucleation, the driving force of membrane crystallization fouling. Based on the featured crystallization mechanisms, a modification in the conventional MDC operation was evaluated, the submersion of membranes into the crystallizer vessel, which was implemented in a bench scale unit. The preliminary results showed that this modification is more sensitive to crystallization fouling, with possibility to find promising conditions, once it was possible to operate during three hours without development of crystallization fouling (maximum period of time investigated), but further investigation is needed. Lastly, in the sixth chapter, the primary heterogeneous nucleation mechanism was explored, associating it to flux decay and solid distribution in the unit. The system equations validated in the third chapter were applied in order to quantify the supersaturation ratio generated in the vicinity of membrane surface and respective association with crystallization mechanisms. It was observed that increasing the vapor flux, the local supersaturation ratio also increase and, as consequence, the primary heterogeneous nucleation as well. This mechanism is responsible for the formation of crystals that remained adhered on membrane surface (crystallization fouling) and released in solution (suspension). The portion of crystals loose in solution was predominantly formed. The fluid dynamic of flow (geometry of membrane module) associated with the local supersaturation ratio (vapor flux) impact in the detachment of crystals in the membrane surface, originated by heterogeneous primary nucleation. With an increase in the local supersaturation ratio, the detachment of crystals is increased in the hollow fiber membrane module, while in the tubular module the detachment of crystals does not change. As a whole, this thesis contributes to a better understanding of MDC selected fundamental aspects and to the use of this knowledge in practical situations.

The present work had as objective to study the hydration process of grains and its possible enhancement using the ultrasound technology. For that, it was studied the hydration kinetics of different grains (Andean lupin, Adzuki beans, sorghum grains and corn kernels) correlating the morphology with mathematical models and the mass transfer mechanisms. Moreover, the effect of the soaking water temperature and the grain initial moisture content were studied to complement the description of this process. The ultrasound application was studied for improving the hydration process, describing the possible mechanisms (direct and indirect effects) that improve the mass transfer process. Therefore, it was established the way by how water enters in the studied grains, demonstrating that the water transfer into the grains is a complex phenomenon and takes place not only due to diffusional mechanisms, but also by capillarity. In addition, suitable mathematical models were proposed and used to explain the processes, describing their parameters according to the grains morphology and the mass transfer mechanisms. Further, it was determined how ultrasound enhances the mass transfer and in which conditions the direct (inertial flow and sponge effect) and the indirect effects (micro channels formation by acoustic cavitation) take place in the process, maximizing the effect of this technology. Finally, it was demonstrated that the ultrasound technology enhanced the hydration process for corn kernels, reducing significantly the process time in approximately 35 %, without modifying the thermal, structural and rheological properties of their starch. In conclusion, the present work improved the description of the grain hydration phenomenon and proved that the ultrasound technology can be used to enhance this process without changing its main industrial component. It is highlighted that the obtained results are thus high desirable for both the industrial and academic point of view. / O presente trabalho teve como objetivo estudar o processo de hidratação de grãos e sua possível melhora usando a tecnologia do ultrassom. Estudou-se a cinética de hidratação de diferentes grãos (tremoço andino, feijão Adzuki, grãos de sorgo e grãos de milho) correlacionando a morfologia com modelos matemáticos e os mecanismos de transferência de massa. Também foi estudado o efeito da temperatura e o conteúdo de umidade inicial do grão para complementar a descrição deste processo. Estudou-se a aplicação do ultrassom no processo de hidratação descrevendo-se os possíveis mecanismos (efeito diretos e indiretos) que melhoram a transferência de massa. Como resultado, foi estabelecida a forma como a água entra nos grãos estudados, demostrando que a transferência de água dentro dos grãos é um fenômeno complexo e que acontece por difusão e capilaridade. Foram propostos e utilizados modelos matemáticos apropriados para explicar os processos, descrevendo os parâmetros de acordo com a morfologia dos grãos e os mecanismos de transferência de massa. Ainda, determinou-se como o ultrassom melhora a transferência de massa e em que condições do processo acontecem os efeitos diretos (fluxo inercial e efeito esponja) e efeitos indiretos (formação de micro canais pela cavitação acústica), maximizando o efeito dessa tecnologia. Finalmente, demonstrou-se que a tecnologia do ultrassom melhora o processo de hidratação de grãos de milho, diminuindo significativamente o tempo do processo em cerca de 35 % sem alterar as propriedades térmicas, reológicas e estruturais do seu amido. Como conclusão, o presente trabalho melhorou a descrição de como os grãos são hidratados, demonstrando que o ultrassom pode ser usado para melhorar o processo de hidratação de grãos sem alterar os seus principais produtos industriais. Ressalta-se que os resultados obtidos são desejáveis tanto do ponto de vista acadêmico quanto industrial.

Made available in DSpace on 2017-07-21T18:53:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Aline Alberti.pdf: 1827845 bytes, checksum: 8ee3e0ad879835006b462340157e2ddc (MD5) Previous issue date: 2011-03-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In yeast growth during the alcoholic fermentation, the nitrogen compounds and the oxygen content are the main limiting elements. Nitrogen and oxygen absence can lead to sluggish or stuck fermentations. In order to prevent these technological problems, in the Brazilian apple wine processing the nitrogen compounds addition is common practice, without knowing its content in the apple must. In this operation, occurs must agitation with two purposes, homogenization and oxygen dissolution. The objective of this work was to evaluate the effect of nitrogen and oxygen in the elaboration of apple wine in Brazilian processing conditions. The nitrogen content and dissolved oxygen in apple must of different varieties, harvests and regions were analyzed. The effect of the unit operations and enzymatic browning inhibitors in the oxygen dissolution in apple must was evaluated. The total nitrogen content was determined by method of Kjedahl and oxygen by dissolved oxygen meter. The total nitrogen content of 51 apple must samples was analyzed, and 98 % had values above 75 mg/L, which are enough for a complete fermentation. The maximum yeast population, as well as the fermentation rate, is proportional to nitrogen content in apple musts. In the apple must processing, the highest dissolution occurs during the pressing, around of 7.3 ± 0.5 mgO2/L. But the phenolic oxidation reaction is responsible for oxygen consumption (above 90 %). The unit operations of depectinization, racking and filtration increase the oxygen content in the apple must, around of 3.0 ± 0.8 mgO2/L. The addition of sulphur dioxide, in the milled apple, inhibits the oxidation and apple must keep higher oxygen content after filtration. The maceration possibility a smaller reduction (57 %, on average) in dissolved oxygen uptake in the must by the enzymatic browning reaction due to the previous oxidation of phenolic substrate. The final oxygen content of the normal apple must processing, without addition of sulphur dioxide or maceration, was 3.0 mg/L, enough for the yeast development. The forced oxygen addition in apple must can be harmful for the fermentative activity of the yeast, possibly due to the nutrients oxidation. Therefore, nitrogen compounds and oxygen additions before the fermentation are not necessary in used conditions. / No crescimento de leveduras durante a fermentação alcoólica os compostos nitrogenados e o oxigênio são os principais elementos limitantes, ou seja, sua ausência pode levar a fermentações lentas, ou paradas de fermentação. A fim de evitar estes problemas tecnológicos, no processamento brasileiro de fermentado de maçã é comum a adição de compostos nitrogenados, mesmo sem conhecer seu teor no mosto. Nesta operação, ocorre agitação do mosto para promover sua homogeneização e incorporação de oxigênio. Sendo assim, o objetivo do trabalho foi avaliar o efeito do nitrogênio e do oxigênio na elaboração de fermentados de maçã nas condições de processamento brasileiras. Os teores de nitrogênio e oxigênio dissolvido de mostos de maçã de diferentes cultivares, regiões e safras, foram analisados. Foi avaliado o efeito das operações unitárias e de inibidores de escurecimento enzimático na dissolução de oxigênio no mosto. O nitrogênio total foi determinado pelo método de Kjedahl e o oxigênio dissolvido por oxímetro. O teor de nitrogênio de 51 amostras de mosto de maçã foram analisados, e destes, 98 % apresentaram valores acima de 75 mg/L, concentração suficiente para que a fermentação transcorra sem interrupções. A população máxima de levedura, bem como a velocidade de fermentação, são proporcionais aos teores de nitrogênio presentes nos mostos. No processamento, a maior dissolução de oxigênio no mosto de maçã ocorre durante a prensagem, 7,3 ± 0,5 mgO2/L, em média. Mas a reação de oxidação dos compostos fenólicos é responsável por um consumo de mais de 90 % deste oxigênio. As operações seguintes de despectinização, trasfega e filtração aumentam o teor de oxigênio no mosto, que fica com média de 3,0 ± 0,8 mgO2/L. A adição de dióxido de enxofre à maçã triturada, inibe a oxidação e consequentemente o mosto apresenta maior teor ao final do processo. A operação de maceração possibilitou uma menor redução (57 %, em média) do consumo de oxigênio dissolvido no mosto pela reação de escurecimento enzimático, possivelmente devido a oxidação prévia dos substratos fenólicos. O teor final de oxigênio resultante do processamento normal do mosto, sem adição de dióxido de enxofre ou maceração, 3,0 mg/L, foi suficiente para o desenvolvimento das leveduras. A adição forçada de oxigênio no mosto pode ser prejudicial para a atividade fermentativa das leveduras, possivelmente devido a oxidação de nutrientes. Desta forma, a adição de compostos nitrogenados e oxigênio, antes da fermentação, não é necessária nas condições de processamento utilizadas.