Na busca por matérias-primas alternativas à produção de etanol no Brasil, a batata-doce surge como opção promissora, principalmente no estado do Rio Grande do Sul, maior produtor nacional da raiz e que importa, em média, 98% do etanol hidratado combustível que consome. A viabilidade econômica da produção de etanol a partir da batata-doce passa pela necessidade de otimização do processo. Esta dissertação foca no pré-processamento da matéria-prima e na hidrólise do amido, duas etapas fundamentais para viabilizar economicamente o processo. São comparadas as produções de açúcares redutores de experiências de hidrólise enzimática conduzidas com a batata-doce in natura triturada e com farinhas preparadas através de seis diferentes métodos de secagem (liofilização, ar quente a 60°C, estufa a 60°C e a 105°C com convecção natural do ar, com microondas e solar). A mistura comercial de enzimas STARGEN 002 foi utilizada inicialmente na concentração de 68 μL/g farinha. Os resultados mostram um rendimento maior obtido nos ensaios com matéria-prima seca em comparação a in natura, independentemente do método de secagem empregado. São comparados os custos acrescentados ao processo devido à inclusão da etapa de secagem com o retorno financeiro em função do aumento da eficiência da etapa de hidrólise. A utilização de micro-ondas apresentou, em comparação às demais técnicas de desidratação, além da maior concentração de açúcares redutores, um balanço econômico promissor, sendo então, selecionada como pré-processamento para os próximos experimentos da pesquisa. Através de um planejamento experimental se verificou que na etapa de hidrólise enzimática, a utilização da Pectinase, enzima complementar ao processo, não trouxe benefícios estatisticamente significativos. Dentro do mesmo estudo, a conversão máxima de 93,9% do amido foi alcançada com concentração inicial de matéria-prima de 110 g/L e de STARGEN 002 igual a 7,5 μL/g farinha, com possibilidade de utilizar níveis ainda mais baixos de enzima e mais altos de farinha conforme análise das superfícies de respostas. Na sequência, o trabalho traz resultados do processo de hidrólise e fermentação simultâneas com pré-tratamento realizado por 2 horas a 52°C. É obtido o valor de 72,2% ± 1,6% de eficiência na etapa de fermentação com 140 g/L de matéria-prima e 3 μL de enzima por grama de farinha. A análise econômica, feita a partir dos resultados apresentados nessa pesquisa, resulta no custo de R$ 1,35 por litro de EHC. / In the search for alternative feedstocks for ethanol production in Brazil, the sweet potato emerges as a promising option, particularly in the state of Rio Grande do Sul, the main national producer of the root and has imported, on average, 98% hydrated ethanol fuel it consumes. To obtain the economic feasibility of ethanol from sweet potato the process optimization is necessary. This work focuses on the pre-processing of the raw material and the hydrolysis of starch, two fundamental steps to make the process economically viable. The reducing sugars production by the enzymatic hydrolysis experiments conducted with the fresh and triturated sweet potato is compared with the use of flour prepared by six different drying methods (lyophilization, hot air at 60°C, oven with air natural convection at 60°C and 105°C , microwave and solar). The commercial mixture of enzymes STARGEN 002 was initially used at a concentration of 68 μL/g flour. The results show a higher yield in tests of dry feedstock, regardless of the employed drying method. The added costs to the process due the inclusion of the drying step are compared with the financial return of this procedure. In comparison to other techniques of dehydration, the use of microwave resulted in the largest concentration of reducing sugars and a promising economic balance, so the microwave drying was selected as preprocessing for the next experiments of research. Through an experimental design, the use of Pectinase, a complementary enzyme of process, showed to be statistically insignificant in the enzymatic hydrolysis step. In the same study, the starch conversion of 93.9% was achieved with an initial concentration of 110 g/L of dried sweet potato and STARGEN 002 equal to 7.5 mL/g flour, with possibility to use lower levels of enzyme and higher of flour according to response surface analysis. Furthermore, are presented the results of simultaneous hydrolysis and fermentation with pretreatment process conducted for 2 hours at 52°C. The fermentation efficiency reached 72.2% ± 1.6% with 140 g/L of raw material and 3 mL of enzyme per gram of flour. The economic analysis, based on the results presented in this research, results in the cost of R$ 1.35 per liter of hydrated ethanol.

Técnicas termoanalíticas são comumente utilizadas para caracterizar interações químicas entre reagentes gasosos e substâncias sólidas e particularmente usadas na caracterização de catalisadores sólidos. Os dados apresentados por essa técnica são geralmente interpretados de forma qualitativa, são utilizados modelos empíricos ou métodos cinéticos simples e aproximados. Em contra partida a análise com modelos empíricos é realizada através do uso de curvas Gaussianas para descrever todo o termograma. No entanto, os resultados de experimentos a temperatura programada também podem ser consideradas como técnicas de resposta transitória e para uma análise adequada destes dados, o uso de modelos fenomenológicos dinâmicos é de fundamental importância. Dentre as técnicas termoanalíticas, a Redução à Temperatura Programada é muito utilizada na avaliação da redutibilidade de catalisadores formados por óxidos metálicos, já que em muitas reações é a fase metálica do catalisador que é ativa para catalisar a reação. Neste tipo de análise o ajuste de modelos fenomenológicos não são amplamente utilizados, devido a dificuldades na etapa de estimação dos parâmetros e na determinação de um modelo cinético da reação de redução apropriado para cada tipo de catalisador O objetivo desse trabalho é utilizar modelos fenomenológicos simples para a redução dos catalisadores e mostrar que é possível descrever de forma mais clara e acertiva o modelo de reação cinética para os catalisadores em estudos. Para isso foram usados dados da redução de um catalisador de níquel suportado em sílica e de um catalisador de cobre, zinco e alumínio derivado de Hidróxidos Duplos Lamelares (HDL). Este foi sintetizado pelo método de co-precipitação, variando as concentrações de cobre e submetidos a diferentes condições de redução no equipamento de TPR, também foi analisada suas propriedades físico-químicas, tais como composição, área específica. A análise dos perfis de redução identificou, de forma qualitativa, a presença de pelo menos dois tipos de sítios redutíveis e através do ajuste do modelo aos dados experimentais identificou-se as melhores ordens de reação, ficando exposto o melhor modelo a ser utilizado para cada caso que o catalisador foi submetido. Os resultados mostraram que é possível descrever com boa qualidade os perfis de redução, mas que o desenvolvimento de modelos cinéticos com mais qualidade pode permitir que resultados ainda melhores sejam alcançados. / Thermoanalytical techniques are commonly used to characterize chemical interactions between gaseous reactants and solid substances and are particularly used in the characterization of solid catalysts. The data presented by this technique are generally interpreted qualitatively. In contrast an analysis with empirical models is done through the use of Gaussian curves to describe the whole thermogram. However, the results of programmed temperature experiments can also be considered as transient response techniques and for an appropriate analysis of the data, the use of dynamic phenomenological models is of fundamental importance. Among the thermoanalytical techniques, Programmed Temperature Reduction is widely used in evaluating the reducibility of catalysts formed by metal oxides, whereas many reactions it is the metal phase of the catalyst that is active to catalyze the reaction. In this type of analysis the adjustment of phenomenological models is not widely used, due to difficulties in the parameter estimation step and in the determination of a kinetic model of the appropriate reduction reaction for each type of catalyst The objective of this work is to use simple phenomenological models for the reduction of the catalysts and to show that it is possible to describe in a clearer and more accurate way the kinetic reaction model for the catalysts in studies. For this, data were used for the reduction of a silica supported nickel catalyst and a copper, zinc and aluminum catalyst derived from Lamellar Double Hydroxides (HDL). This was synthesized by the coprecipitation method, varying the copper concentrations and subjected to different conditions of reduction in the TPR equipment, its physicochemical properties, such as composition, specific area, were also analyzed. The analysis of the reduction profiles qualitatively identified the presence of at least two types of reducible sites and by adjusting the model to the experimental data the best reaction orders were identified and the best model to be used for each in which case the catalyst was subjected. The results showed that it is possible to describe the reduction profiles with good quality, but that the development of higher quality kinetic models may allow even better results to be achieved.

Estágio realizado na Fluidinova-Engenharia de Fluídos e orientado pelo Eng.º José Carlos Britpo Lopes / Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Estágio realizado na Unicer Cervejas, S. A. e orientado pelo Eng.ª Maria-Manuel Dantas / Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Estágio realizado na UNICER- Leça do Balio e orientado pelo Eng.ª Maria Manuel Dantas / Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

O sistema de reconciliação de dados trata de um problema advindo da evolução das técnicas de medição, aquisição e armazenamento de dados. Este tem o papel de garantir a consistência destes dados, utilizando a redundância das variáveis medidas e um modelo estatístico da medição para aumentar a precisão dos dados. O procedimento completo tem por objetivo que as equações de conservação sejam satisfeitas, tratando dos erros aleatórios inerentes ao processo de medição e que eventuais erros grosseiros sejam detectados e corrigidos. Estas duas últimas atribuições referem-se aos dois problemas tratados neste trabalho: avaliação de técnicas de reconciliação de dados e para a detecção de erros grosseiros. O objetivo deste trabalho é comparar diferentes técnicas por meio de um estudo completo de reconciliação de dados e detecção de erros grosseiros. Este foi baseado em simulações determinísticas e simulações Monte Carlo para verificar o desempenho das estratégias frente aos parâmetros que influenciam cada etapa do procedimento. Em reconciliação de dados foi avaliada a influência da topologia e do pré-tratamento de dados na qualidade final da estimação. Já para etapa de detecção de erros grosseiros foram avaliadas sete estratégias diferentes, realizando uma comparação entre as mesmas com base em um estudo combinatorial completo. Avaliou-se a influência da topologia e foram levantadas as curvas de poder de detecção. Com base nestes resultados escolheu-se um critério para que os algoritmos fossem sintonizados de maneira que a comparação entre eles fosse justa. Após a sintonia avaliou-se a utilização do pré-tratamento de dados. Além das estratégias de detecção tradicionais utilizaram-se também técnicas de reconciliação robusta. O desempenho destas foi comparado com os resultados obtidos nas etapas anteriores. Como conseqüência deste estudo completo, foi proposta uma nova estratégia de detecção de erros grosseiros, baseada em estatística robusta. O seu desenvolvimento foi demonstrado e a validação foi realizada por comparação com os resultados obtidos neste trabalho e com um caso reportado na literatura. / The data reconciliation system deal with a problem originated from the evolution of measurement techniques, data acquisition, and data storage. This system plays the role of guaranteeing the data consistency; it uses the measured variables redundancy and a statistical measurement model to improve accuracy. The main goal of the complete procedure is to satisfy the conservation equations, treating the random errors inherent of the measurement process and detecting eventual gross errors. The last two attributes are the issues of this work: the evaluation of data reconciliation techniques and the problem of gross error detection. The goal of this work is to compare different techniques by a complete data reconciliation and gross error detection study, based on deterministic and Monte Carlo simulations to verify the performances of the strategies as functions of the parameters that influence each step of the procedure. In data reconciliation, the influence of the topology and data pre-treatment in the quality of the estimates were investigated. Furthermore, dealing with the gross error detection step, seven different strategies were compared by means of a complete combinatorial study. The influence of topology was studied and the power curves were obtained. Based on these results, a criterion to tune the algorithms was chosen in the manner of guaranteeing a fair comparison between them. After the tuning step, the use of data pre-treatment was investigated. To complete the study, robust data reconciliation techniques were also used, and their performances were compared with the results attained in the precedent sections. As a product of this study, a new gross error detection strategy was proposed, based on robust statistics. The development steps were showed and the new method was validated based on comparison with the results obtained in this work and with a case study from the literature.

A busca por fontes renováveis de energia é uma das prioridades nas pesquisas na área de engenharia na atualidade, dando-se preferência principalmente para uma alternativa aos derivados de petróleo. A produção de biodiesel com lipídeos extraídos de microalgas é um assunto muito promissor, visto as inúmeras vantagens deste processo. Pesquisas apontam que a diminuição da concentração de nitrogênio presente no meio de cultivo aumenta o acúmulo de lipídeos pelas microalgas, mas a produção de biomassa fica prejudicada. Para mensurar a importância desse nutriente e melhorar a eficiência da extração de óleos, no presente trabalho, foi proposta a avaliação da influência do íon nitrato no cultivo de Chlorella sp., focando o estudo na concentração de biomassa e no acúmulo de lipídeos. Para tal, foram testadas diferentes concentrações iniciais de NaNO3; o melhor perfil de adição de NaNO3 no meio de cultivo (em etapas ou em uma dose única); o desempenho da microalga em um cultivo semicontínuo; e quatro tipos de tratamentos para a quebra da parede celular das microalgas Chorella minutissima e Chlorella sp., a fim de realizar uma extração de lipídeos mais efetiva. A concentração inicial de 300 mg L-1 de NaNO3 apresentou melhores resultados em relação à concentração final de biomassa (2,48 g L-1) e acúmulo de lipídeos totais (12,0 % em peso seco). A adição de NaNO3 em apenas uma etapa obteve os resultados mais satisfatórios, com concentração final de biomassa de 1,92 g L-1 e 6,02 % de lipídeos totais em peso seco de biomassa. No cultivo semicontínuo, o melhor resultado para a o acúmulo de lipídeos foi volume de corte de 1/6 a cada 24 h, resultando em 9,02 % de lipídeos em biomassa seca e produtividade lipídica de 214 mg L-1d-1. Como pré-tratamento para quebra da parede celular da microalga Chlorella minutissima, não houve diferença significativa entre os métodos testados; para a Chlorella sp., as técnicas com resultados mais satisfatórios foram autoclave e micro-ondas. / Nowadays, the search for renewable energy sources is a high priority topic in engineer research, with preference to an alternative to petroleum derived energy spurces. Biodiesel production from microalga lipid is very promising, since the several advantages of this process. Many studies have shown that, to increase the microalga lipid accumulation, low nitrogen concentration is necessary; however, this condition has an opposite effect on biomass production. To measure the effect of this nutrient and improve oil extraction efficiency, in the present work, the nitrate ion influence was evaluated over the microalga Chlorella sp. cultive, measuring biomass concentration and lipid accumulation. This work tested the effect of the initial NaNO3 concentration and different NaNO3 pulse feeding profiles along the culture. A semicontinuous culture was carried out with renewal rate of 1/3 and 1/6 (v/v) in 24 h and 48 h, to improve biomass nad lipid productivity. It was also tested four pre-treatments in order to break the microalga (Chlorella minutissima and Chlorella sp.) cell wall: microwave, autoclave, bead beating and sonication. The highest biomass and lipid concentration were found when used initial NaNO3 concentration of 300 mg L-1, with 2,48 g L-1 and 12,04 %, respectively. Adding NaNO3 all at once (one time at the culture start off ) showed the best results for biomass concentration (1,92 g L-1) and lipid accumulation (6,02 %). In semicontinuous culture, the microalga Chlorella sp. presented good results for lipid production (9,02 %) and lipid productivity (214 mg L-1d-1) at 1/6 renewal rate every 24 h, however. The best pre-treatment for cell wall tested for Chlorella sp were microwave and autoclave; for Chlorella minutissima, there was no difference between the tested pre-treatments and the ones without it.

Nesse trabalho, é proposto um modelo fenomenológico para a polimerização de estireno em solução, validado com dados de uma planta industrial. Um modelo matemático para a polimerização do estireno via radicais livres é desenvolvido para predizer o comportamento estacionário e dinâmico do processo contínuo de produção de poliestireno. O modelo inclui a cinética de polimerização, em dois reatores CSTR auto-refrigerados em série, o equilíbrio líquido-vapor na seção de reação e as propriedades do produto final. Os resultados obtidos através do modelo desenvolvido são utilizados para determinar quais são os efeitos da composição de alimentação, temperatura e concentração do iniciador na conversão do monômero, massas molares, polidispersão, formação de dímeros e trímeros, densidade, viscosidade, índice de fluidez, propriedades térmicas e tensão de ruptura. Para o equilíbrio líquido-vapor, um modelo termodinâmico também foi desenvolvido para reatores auto-refrigerados, que usam o calor de evaporação para remover o calor gerado por reações químicas fortemente exotérmicas, e modelado através de uma equação cúbica de estado e uma regra de mistura aplicada ao equilíbrio líquido-vapor a baixas pressões para soluções poliméricas através do emprego de um único parâmetro de interação. O modelo desenvolvido pode ser utilizado para avaliação de estruturas de controle, simulação e otimização do processo de polimerização do estireno.

Nas indústrias de processo, algumas variáveis como as composições de topo de colunas de destilação são quantificadas através de análises laboratoriais e ou de analisadores em linha. Este tipo de controle apresenta algumas limitações tais como custos de manutenção e o tempo de amostragem (em geral análises laboratoriais ocorrem de 1 a 3 vezes ao dia). Para melhoria destes métodos, as variáveis podem ser continuamente estimadas a partir de sua relação com as variáveis medidas diretamente no processo. Através de um algoritmo matemático, um analisador virtual de propriedades pode ser construído, sendo necessário para o seu desenvolvimento um modelo simplificado do processo. Este trabalho teve como objetivo a construção de dois analisadores virtuais para estimação das composições de topo de duas colunas fracionadoras de tolueno presentes em uma indústria petroquímica. Para tal, estudou-se as metodologias existentes para construção de analisadores voltados para aplicações em colunas de destilação. O desenvolvimento de analisadores virtuais tem como base três etapas: seleção de variáveis secundárias, construção de modelos e correção/adaptação de modelos. Tais etapas, baseadas principalmente em métodos estatísticos, foram estudadas e as técnicas que melhor se adaptaram ao caso em questão foram empregadas com resultados satisfatórios. Realizaram-se também estudos comparativos entre modelos estacionários e dinâmicos e modelos construídos a partir de dados de simulação e de processo. As simulações foram conduzidas nos softwares Aspen PlusÒ e Aspen DynamicsÒ e o software usado para implementação dos analisadores na indústria foi o Aspen IQÒ.

O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma ferramenta de regressão multivariável apropriada para abordar o problema da modelagem de propriedades relacionadas à qualidade final de produtos em processos industriais. No caso geral, dados provenientes de sistemas físicos e químicos típicos do meio industrial são caracterizados pela presença de relação não linear entre as variáveis, podendo, ainda, apresentar outros problemas que dificultam o processo de modelagem empírica, como baixa disponibilidade de observações experimentais, presença de ruído excessivo nas medidas e a presença de colinearidade entre os termos explicativos. Foi feita uma revisão de diferentes métodos de regressão multivariável tais como regressão linear múltipla (MLR), regressão não linear baseada em transformações das variáveis explicativas e métodos de redução de dimensionalidade (PCA, PLS, QPLS e BTPLS). Também foram propostas novas metodologias para a abordagem das questões da seleção de variáveis e estimação das incertezas dos modelos. Posteriormente, utilizando as metodologias revisadas e propostas, foi sugerida uma sistemática para o tratamento da questão da modelagem empírica de dados industriais, que constitui a base para a implementação da ferramenta desejada. A aplicabilidade da ferramenta desenvolvida foi ilustrada através de alguns estudos de caso retirados da literatura, onde modelos para a predição de propriedades relativas à qualidade de produtos produzidos em quatro tipos de processos industriais diferentes são obtidos.