A produção brasileira dos pequenos frutos morango, amora, framboesa e mirtilo vem sendo incrementada nos últimos vinte anos devido ao interesse do consumidor por estes frutos, sobretudo graças às suas propriedades nutracêuticas. O processamento industrial destes frutos, para a obtenção de sucos e polpas, é uma alternativa para minimizar as perdas decorrentes da alta perecibilidade intrínseca aos mesmos. Para a obtenção de sucos e polpas de pequenos frutos com alta qualidade nutricional e sensorial, há a necessidade de se conhecer o comportamento das propriedades físicas destes produtos nas condições de processo, já que elas são de fundamental importância no projeto, otimização, simulação e automação das operações unitárias envolvidas no processamento industrial. A predição teórica destas propriedades não traz bons resultados, pois a estrutura física e composição química destes alimentos são bastante variáveis, sendo a experimentação a melhor alternativa para este fim. O objetivo deste trabalho é determinar as propriedades massa específica, condutividade elétrica, difusividade térmica, calor específico e condutividade térmica de polpas e néctares de morango, framboesa, mirtilo e amora. Este estudo envolveu a variação da temperatura e da composição dos produtos, dada pela adição de açúcar aos mesmos em diversas proporções e pela variação do teor de polpa na formulação dos néctares. As polpas e os néctares foram processados em escala de bancada, a partir de frutos congelados. O teor de açúcar adicionado aos produtos variou de 0 a 10% e o teor de polpa dos néctares formulados variou de 25 a 100%. As massas específicas foram determinadas pelo método picnométrico, na faixa de 30 a 80°C; as difusividades térmicas, pelo método baseado na solução da difusão de calor em um cilindro longo, na faixa de 25 a 70°C; as condutividades elétricas, por condutivimetria, na faixa de 30 a 80°C; os calores específicos, pelo método de misturas modificado, a 30°C; e a condutividade térmica, a partir do conhecimento das demais propriedades. A partir dos dados obtidos, foram ajustados uma série de modelos quadráticos de regressão múltipla para a predição das propriedades destes produtos em função da temperatura, do teor de açúcar adicionado aos produtos e do teor de polpa empregado, quando na elaboração dos néctares.Estes modelos, em sua maioria, apresentaram coeficientes de correlação superiores a 0,98. / The Brazilian production of strawberry, blackberry, red raspberry and blueberry has been increasing in the last twenty years mainly due to the interest in their nutraceutical properties. These small fruits have a short shelf life, and the industrial processing for the production of juices and purées is an alternative for this limitation. For the production of small fruits juices and purées with high nutritional and sensorial quality, is necessary to know the behavior of the physical properties of these products in the process conditions, since this knowledge is fundamental in the design, optimization, simulation and automation of the units operations for these industrial processes. Since the physical structure and chemical composition of these foods change very much, the theoretical prediction of their properties does not give good results and the experimentation is the only alternative. The objective of this work is to determine physical properties of purées and nectars of strawberry, red raspberry, blueberry and blackberry such as density, electrical conductivity, thermal diffusivity, specific heat and thermal conductivity. This study was carried out varying the temperature and the composition of the products, by adding sugar and changing pulp content in the formulation of the nectars. The pulps and the nectars were processed in a bench scale experiments, from frozen fruits. The sugar content added to the products varied between 0 and 10% and the pulp content of formulated nectars varied between 25 and 100%. The density was determined by the picnometric method, between 30 and 80°C; the thermal diffusivity was obtained using the solution of the heat diffusion in a long cylinder, between 25 and 70°C; the electrical conductivity was determined with a conductivity meter, between 30 and 80°C; the specific heat was measure through the modified mixtures method, at 30°C; and the thermal conductivity, from the knowledge of the other properties. Many multiple regression quadratic models for the prediction of these propertiesas a function of the temperature, the sugar content added to the products and the pulp concentrationhave been adjusted. Most of these models have presented correlation coefficients higher than 0,98.

A bactéria Zymomonas mobilis atraiu considerável interesse nas últimas décadas devido ao seu metabolismo único e a suas eficientes características fermentativas na produção de etanol através de açúcares simples. Além disso, dependendo do substrato utilizado outros produtos podem ser obtidos como ácido lático, ácido acético, ácido fórmico, acetona, levana, e sorbitol. Na literatura, a Z. mobilis tem sido proposta como microrganismo mais promissor que a convencional levedura Sacharomyces cerevisiae para a produção industrial de etanol. Na fermentação em modo contínuo o microrganismo apresenta oscilações (i.e., bifurcações Hopf) em baixas taxas de diluição (Df < 0,1/h). Diversos modelos têm sido propostos para descrever a dinâmica oscilatória do cultivo contínuo de Z. mobilis. Entre tais está o modelo de Jöbses et al. (1986) que foi ajustado experimentalmente em baixas taxas de diluição (Df < 0,1/h) e concentrações médias de substrato alimentado (Cso = 150 kg/m³). Recentemente, o modelo foi extrapolado por Elnashaine et al. (2006) que encontrou uma região operacional muito mais rentável a altas taxas de diluição (Df < 2,0/h) e concentração de substrato (Cso = 200 kg/m³). Embora o modelo de Jöbses não tenha sido validado nesta região, nossa contribuição assumirá que esta extrapolação é aceitável e então uma estratégia de controle foi proposta para manter o sistema trabalhando nesta região operacional. Para uma aplicação industrial bem sucedida da Z. mobilis, é necessário uma estratégia de controle eficiente e simples. Esse trabalho analisa o problema de controle e otimização de um biorreator contínuo de biosíntese de etanol pela bactéria modelado por Jöbses et al. (1986). Esse sistema apresenta multiplicidade de equilíbrios em determinadas condições operacionais. A idéia é manter o processo próximo à região de maior produtividade, localizada nas proximidades de um conjunto de bifurcações sela (onde o sistema torna-se instável). Baseado em uma análise sistemática da controlabilidade do sistema usando o índicie não-linear RPN percebe-se que é possível controlar o processo usando um controlador linear. Finalmente o trabalho aborda algumas características importantes no sistema de controle como a utilização de uma transformada nas ações do controlador com vistas a manter o biorreator no ótimo operacional. / Zymomonas mobilis has attracted considerable interest over the past decades pursuant to its unique metabolism and ability to rapidly and efficiently produce ethanol from simple sugars. In addition to ethanol depending on the substrate other fermentation products can occur, such as lactic acid, acetic acid, formic acid, acetone, and sorbitol. In the literature, Zymomonas mobilis has been proposed as a more promising microorganism than conventional yeast Saccharomyces cerevisiae for industrial production of ethanol. The major drawback of this microorganism is that it exhibits sustained oscillations (i.e., Hopf bifurcation) for low dilution rates (i.e., ,Df <=0.1 h-1) when grown in continuous mode. This leads to decreased ethanol productivity and less efficient use of available substrate. Various models have been proposed to describe the oscillatory dynamics of continuous Zymomonas mobilis cultures. One of them is the Jöbses et al. (1986) model that was fitted to experimental data with low dilution rate (i.e.,Df <= 0.1 h-1) and middle inlet substrate concentration (i.e., Cso~=150 kg/m³). Later, it was extrapolated outside of this operating region by Elnashaie et al. (2006), who have found a much more profitable operating region at higher dilution rates (Df~= 2.0 h -¹) and inlet concentrations (Cso~= 200 kg/m³). Notwithstanding the Jöbses's models has not been validated at this region, our contribution will assume that this extrapolation is acceptable and we will propose a control strategy to maintain the system working at this more profitable operating region. For a successful application of any industrial Z. mobilis facility, it is necessary to have an efficient and simple control strategy. This work analyzes the control and optimization problem of a continuous Z. mobilis bioreactor modeled by Jöbses et al. (1986). This system has steady state multiplicity in part of the operating range. The idea is to maintain the process close to the manifold border where is achievable the highest ethanol production. Based on a systematically analysis of the operational controllability using the nonlinear RPN indices it is identified that the process can be controlled using a linear controller. Finally in this work is proposed a variable transformation that makes easy to maintain the bioreactor close to the optimum.

A necessidade cada vez maior do uso de produtos poliméricos sintéticos, como para produção de embalagens, partes de eletrodomésticos, eletroeletrônicos, automóveis, etc., tem levado a indústria de polímeros a buscar cada vez mais a diminuição do desperdício e aumento da qualidade dos produtos. Para isso tem-se buscado entender melhor como as propriedades reológicas dos polímeros afetam seu processamento e a qualidade final dos produtos. Com o intuito de se obter resultados mais rápidos e com menor custo recorre-se cada vez mais a estudos de modelagem e simulação de processos de transformação de polímeros. Neste trabalho é apresentada uma nova ferramenta de CFD para simulações de escoamentos envolvendo fluidos viscoelásticos, o viscoelasticFluidFoam solver. A implementação do módulo foi feita no pacote de CFD OpenFOAM devido principalmente às vantagens oferecidas por esse software, como por exemplo, possibilidade de uso de geometrias complexas, malhas não-estruturadas, técnicas multigrid e paralelização do processamento de dados, além de ser um software gratuito e de código aberto. Foi feita a implementação do modelo de Maxwell, UCM, Oldroyd-B, Giesekus, FENE-P, FENE-CR, PTT na forma linear e exponencial, e DCPP, todos na forma multimodo. Dentre as várias metodologias disponíveis para resolver o problema da obtenção de soluções estáveis a altos valores deWeissenberg foi escolhida a DEVSS devido a sua estabilidade e aplicação a modelos complexos. Para se fazer a validação do solver desenvolvido foi feito a comparação com resultados numéricos e experimentais obtidos da literatura. É mostrada uma comparação entre vários modelos para obtenção da velocidade e diferença de tensões normais para um escoamento em uma contração plana abrupta 4:1. Os resultados obtidos foram satisfatórios sendo possível dar credibilidade ao solver implementado e garantir a disponibilidade de uma boa ferramenta para estudo de fluidos viscoelásticos para ser usada tanto no meio acadêmico como no setor industrial. / Synthetic polymer products are of great importance in several industrial sectors, such as for production of packaging, parts of appliances, electronics, and cars. Due to the increasing demand for this kind of material, reduction of waste and increase of quality has become a key issue in polymer industry. In this sense modeling and simulation of processing operations appears as a fundamental tool, leading to better understanding of how the rheological properties of polymers affect their processability and final product quality, and reducing time and costs related to the development of processes and products. This work presents a new Computational Fluid Dynamics (CFD) tool for the simulation of viscoelastic fluid flows, called viscoelasticFluidFoam solver, which consists of a viscoelastic fluid module to be used OpenFOAM CFD package. The advantages of using OpenFOAM as development platform include its characteristics with relation to flexibility to deal with complex geometries, unstructured and non orthogonal meshes, moving meshes, large variety of interpolation schemes and solvers for the linear discretized system, and the possibility of data processing parallelization. Linear Maxwell, Oldroyd-B, Giesekus, Phan-Thien-Tanner (PTT), the Finitely Extensible Nonlinear Elastic (FENE-P and FENE-CR), and DCPP constitutive equations have been implemented, in single and the multimode form. Among the various available methodologies to solve the problem of obtaining stable solutions to high Weissenberg values, the DEVSS was chosen due to its stability and application to complex models. The viscoelasticFluidFoam solver was tested by comparing its predictions with experimental and numerical data from literature for the analysis of a planar 4:1 contraction flow. These tests have shown the great potential of this solver for application both in academia and in industry.

Diminuir a variabilidade de variáveis chaves do processo tornou-se um dos principais caminhos para quantificar os benefícios potenciais da melhoria do controle de processos, ou seja, com maior confiabilidade dos resultados é possível trabalhar em uma região próxima ao ponto de operação ótimo, o que se converte em ganho. Tal ganho pode ser materializado na forma de aumento da capacidade de produção da unidade, redução do consumo de energia, decréscimo de produtos fora de especificação, redução do tempo de transição entre produtos, melhoria na operabilidade, melhoria na qualidade final do produto, entre outros. Na presente dissertação é realizada uma revisão das principais metodologias que visam quantificar o potencial de alteração de variabilidade a qual uma malha de controle possa estar sujeita, além de propor um modelo de inferência que possa ser utilizado para predizer esse potencial de alteração de variabilidade, baseado em índices dados pelo Modelo de Inferência para Desempenho e Robustez. Neste trabalho é mostrado o procedimento utilizado para a construção do Modelo de Inferência de Variabilidade, o qual utiliza como entradas índices que possam ser facilmente quantificáveis e de características da planta (tempo morto e constante de tempo), usando somente dados em operação normal (sem mudanças no valor do setpoint). Para a sua obtenção, três diferentes métodos foram testados (a saber, Rede Neural, Mínimos Quadrados Parciais e Mínimos Quadrados Parciais Quadráticos), sendo os melhores resultados conseguidos ao se aplicar redes neurais. A eficácia do modelo de inferência proposto é ilustrada pela aplicação em casos de estudo nos quais o modelo de planta pode ser representado por funções de transferência de 1ª e de 2ª ordem com tempo morto e a aplicabilidade do mesmo é ilustrada ao utilizá-lo em um caso de estudo, desenvolvido em uma planta industrial. Nesse caso de estudo, procurou-se ainda analisar as principais malhas encontradas no cenário industrial. Os resultados obtidos para ambos os casos de estudo mostraram que a ferramenta desenvolvida apresenta um grande potencial de ser utilizada em projetos que contemplem a análise de pontos de melhoria da camada regulatória, uma vez que apresenta uma excelente capacidade de predizer a alteração de variabilidade a qual uma malha possa estar sujeita. / Reduction of the process variability has a significant impact into the process profitability. A reduction in the variance allows shifting the mean of the controlled variable closer to the constraint and thus ensures better performance like increase product throughput, increase yield of higher valued products, improve energy efficiency, decrease off-specification product, safer operation and reduced environmental impact, among others. In this dissertation, a bibliographic review of the main methodology used to estimate and assess the variance reduction is done. The main contribution of this work is to propose an inferential model to estimate the potential alteration in variance, based on indices determined by the Performance and Robustness Inferential Model. This work shows the procedure to build the Variability Inferential Model that assesses the potential alteration in variance of a given loop. The inputs variables are indices that can be easily calculated on-line and information about the plant (time delay and time constant) using only normal operating data (without excitation and/or setpoint activity). The set of input – output variables are fitted using different techniques (i.e., Neural Networks, Partial Least Squares and Quadratic Partial Least Squares). The best results are obtained by Neural Network. The efficacy of the Inferential Model is illustrated by application to first order plus time delay and second order plus time delay models. The proposed methodology was also applied to on a polyolefin plant, providing very good results, in a set of five loops, where the potential variance alteration is computed with small error, showing the efficacy of the methodology.

Este trabalho apresenta metodologias para a construção e a sintonia de estimadores de estados não-lineares visando aplicações práticas. O funcionamento de um estimador de estados não-linear está calcado em quatro etapas básicas: (a) sintonia; (b) predição; (c) atualização da matriz de covariância de estados; (d) filtragem e suavização dos estados. As principais contribuições deste trabalho para cada uma destas etapas podem ser resumidas como segue: (a) Sintonia. A sintonia adequada da matriz de covariância do ruído de processos é fundamental na aplicação dos estimadores de estado com modelos sujeitos a incertezas paramétricas e estruturais. Sendo assim, foi proposto um novo algoritmo para a sintonia desta matriz que considera dois novos métodos para a determinação da matriz de covariância dos parâmetros. Este algoritmo melhorou significativamente a precisão da estimação dos estados na presença dessas incertezas, com potencialidade para ser usado na atualização de modelos em linha em práticas industriais. (b) Predição. Uma das etapas mais importantes para a aplicação do estimador de estados é a formulação dos modelos usados. Desta forma, foi mostrado como a formulação do modelo a ser usada em um estimador de estados pode impactar na observabilidade do sistema e na sintonia das matrizes de covariância. Também são apresentadas as principais recomendações para formular um bom modelo. (c) Atualização da matriz de covariância dos estados. A robustez numérica das matrizes de covariância dos estados usadas em estimadores de estados sem e com restrições é ilustrada através de dois exemplos da engenharia química que apresentam multiplicidade de soluções. Mostrou-se que a melhor forma de atualizar os estados consiste na resolução de um problema de otimização sujeito a restrições onde as estimativas fisicamente inviáveis dos estados são evitadas. Este também preserva a gaussianidade dos ruídos evitando que estes sejam mal distribuídos. (d) Filtragem e suavização dos estados. Entre as formulações estudadas, observou-se também que a melhor relação entre a acuracidade das estimativas e a viabilidade de aplicação prática é obtida com a formulação do filtro de Kalman estendido sujeita a restrições (denominada Constrained Extended Kalman Filter - CEKF), uma vez que esta demanda menor esforço computacional que a estimação de horizonte móvel, apresentando um desempenho comparável exceto no caso de estimativas ruins da condição inicial dos estados. Como uma solução alternativa eficiente para a estimação de horizonte móvel neste último caso, foi proposto um novo estimador baseado na inclusão de uma estratégia de suavização na formulação do CEKF, referenciado como CEKF & Smoother (CEKF&S). / This work presents approaches to building and tuning nonlinear state estimators aiming practical applications. The implementation of a nonlinear state estimator is supported by four basic steps: (a) tuning; (b) forecast; (c) state covariance matrix update; (d) states filtering and smoothing. The main contributions of this work for each one of these stages can be summarized as follows: (a) Tuning. An appropriate choice of the process-noise covariance matrix is crucial in applying state estimators with models subjected to parametric and structural uncertainties. Thus, a new process-noise covariance matrix tuning algorithm is presented in this work which incorporates two new methods for the parameter covariance matrix computation. The algorithm has improved significantly the state estimation accuracy when the presence of such uncertainties, with potential to be applied in on-line model update in industrial practice. (b) Forecast. One of the most important stages in applying state estimators is the used model formulation. In this way, it has been shown that the model formulation to be used in state estimator can impact on the system observability and noisecovariance matrices tuning. In this work it is also presented the main recommendations to formulate an appropriated model. (c) State covariance matrix update. The numerical robustness of the state covariance matrices used in unconstrained and constrained state estimators is illustrated by two chemical engineering examples tending to multiple solutions. It has been shown that the best technique to update the states consists in solving an optimization problem subjected to constraints, since it prevents from physically unfeasible states. It also preserves the noise gaussianity preventing from bad noise distribution. (d) States filtering and smoothing. Among the studied formulations, it was also noticed that the better relationship between performance and practical application is obtained with an extended Kalman filter formulation subjected to constraints (called Constrained Extended Kalman Filter - CEKF) because it requires small computational effort than MHE with comparable performance, except in case of poor guesses of the initial state. As an efficient solution for moving horizon estimation in the last case, it was proposed a new estimator based on the addition of a smoother strategy into the CEKF formulation, referred as CEKF & Smoother (CEKF&S).

Este trabalho aborda a modelagem matemática do processo de extração de óleos essenciais por arraste a vapor e a otimização deste processo em escala industrial. Utilizouse dados experimentais de óleos essenciais de alecrim e citronela obtidos em uma unidade industrial de extração por arraste a vapor. O modelo é constituído de um sistema de equações diferenciais parciais, que representam o balanço de massa unidimensional nas fases vapor e sólido. Para resolver o modelo desenvolvido, utilizouse o método das linhas com o uso da técnica de diferenças finitas para discretizar a coordenada espacial e suas derivadas, resultando em um sistema de equações diferenciais ordinárias implementado no simulador EMSO. Os parâmetros do modelo foram estimados pelo método dos poliedros flexíveis, utilizando dois conjuntos de dados experimentais e um terceiro para sua validação. O modelo ajustou-se bem aos dados experimentais industriais, resultando, para duas condições ambientais e geográficas das plantas aromáticas de alecrim, em coeficiente global de transferência de massa de 8,64 x 10 -4 s -1 e 9,10 x 10 -4 s -1, e a constante de equilíbrio de 2,72 x 10 -4 m3=kg e 1,07 x 10 -2m3/kg. Enquanto que para a citronela obteve-se coeficiente global de transferência de massa de 8,29 x 10 -4s -1 e 1,23 x 10 -3 s -1, e constante de equilíbrio de 1,25 x 10 -2 m3/kg e 1,52 x 10 -3 m3/kg. Foi proposto também um problema de otimização para determinar o tempo ótimo de extração e o número de bateladas por dia. Os resultados da otimização do processo indicam que se pode reduzir o tempo de extração, permitindo que outras extrações sejam realizadas por dia, maximizando o volume de óleo extraído ao fim do dia. / This work has as objective the development of a mathematical model of essential oils extraction by steam distillation and the optimization of this process on an industrial scale. We used experimental data obtained from rosemary and citronella in an industrial steam distillation unit. The model consists a system of partial differential equations, which represent the one-dimensional mass balance in steam and solid phases. To solve the developed model, we used the method of lines with the finite differences technique to discretize the spatial coordinate and its derivatives, resulting in a system of ordinary differential equations implemented in the EMSO simulator. The model parameters were estimated by the method of flexible polyhedra, using two experimental runs and a third experimental run to test the model. The model fitted to the experimental data industry, resulting, for two environmental and geographical conditions of rosemary, in mass transfer coefficients of 8,64 x 10 -4 s -1 and 9,10 x 10 -4 s -1, and the equilibrium constant of 2,72 x 10 -4 m3/kg and 1,07 x 10 -2m3/kg. For citronella, the obtained mass transfer coefficient of 8,29 x 10 -4 s -1 and 1,23 x 10 -3 s -1 and equilibrium constant of 1,25 x 10 -2 m3/kg and 1,52 x 10 -3 m3/kg. It was also proposed an optimization problem to determine the optimum extraction time and number of batches per day. The optimization results indicate that the process can reduce the extraction time, allowing other extractions are performed each day, maximizing the essential oil volume extracted in the day.

Este trabalho constitui-se do estudo da cinética e termodinâmica da reação de cura de um sistema bi-epoxi ( Araldit F + anidrido ftálico + trietilamina utilizando a Análise Térmica. através da técnica do DSC. o sistema foi analisado segundo métodos não-isotérmicos com a finalidade de verificar os efeitos da concentração da trietilamina bem como o da velocidade de aquecimento. Os métodos utilizados foram o da regressão multi-linear31, de freeman-carrol de Kissinger 49,50 e de. Osawa51. Os resultados obtidos demonstraram Que a reação de polimerização-reticulação do sistema segue a equação de Arrhenius, indicando um processo aproximadamente de primeira ordem (1. 5 l em relação a amina, e que os valores da energia de ativação sofrem um aumento com a adição da amina ao meio reacional. Comparando-se o estudo!54 realizado anteriormente Araldit F + anidrido succínico + trietilaminal no Laboratório de Instrumentação e Dinâmica Molecular, deste Instituto, e o sistema em estudo ( Araldit F + anidrido ftálico + trietilamina ), verifica- se um comportamento cinético termodinâmico similar com diferenciação nos valores da energia de ativação e no fator pré-exponencial. sem diferenças nos valores da ordem de reação. A presença da amina causa um aumento considerável nos valores da energia de ativação nos dois sistemas. Este aumento da energia de ativação nos leva a considerar a amina como iniciador no processo de polimerização e não como um catalisador como comumente é considerada. / This work includes the Kinetic and Thermodynamical study by Thermal Analvsis, using DSC technics, of the cure reaction: Araldite F + Phtalic Anhydride + Triethylamine. The system was analysed by non-isothermal methods with the purpose to study the effects Df triethylamine concentration. as well the rate Df heating. The theoretical - mathematical treatment used here 31 was according to the multi linear regressl.on 43 Freeman-Carrol, kissinger 49,50 an d Osawa 51 techniques. The results demonstrated that the polymerization network-formation reaction Df the system studied followed the Arrhenius equation, indicating approximately a first order process (1.5) with refference to amine. The values Df the Activation Energy increased with addition of amine to reactional medium. The system studied in this work (Araldite F + Phtalic Anhydride + Triethylamine represents a Kinetic and Thermodynamical behaviour similar to the behaviour of the reaction system (Araldite F + Succinic Anhydride + Triethylamine) studied,4 before. We observed different values of Activation Energy as well as Pre-Exponencial Factor, but same reaction order for the two differents svstems. The amine addition leads to a remarkable increase Df the Activation Energv in the two systems. This increase in Activation Energy permited us to consider the amine as initiator Df the polymer-ization process, but not as catalvst as it is usuallv considerated.

Microalgas são micro-organismos fotossintetizantes que convertem CO2 majoritariamente em lipídios, proteínas e carboidratos. A produção de microalgas é indicada atualmente como alternativa para biomitigação de CO2 e para geração de biocombustíveis, a partir da conversão da biomassa através de processos químicos e biotecnológicos. As vantagens das microalgas estão na sua maior velocidade de crescimento em relação a vegetais oleaginosos superiores e em seu teor lipídico, que para algumas espécies pode chegar a valores maiores que 50%. Apesar do potencial envolvendo as microalgas, muitos desafios ainda precisam ser superados para tornar viável a aplicação desses micro-organismos para fins energéticos. São necessários desenvolvimentos nas mais diversas áreas, abordando os seguintes aspectos: seleção e melhoramento genético de espécies, alcance de maior eficiência fotossintética, desenvolvimento de sistemas de produção e de seu escalonamento, desenvolvimento de sistemas e processos de colheita, extração e processamento, aproveitamento de nutrientes provenientes de resíduos, otimização de condições operacionais, dentre outros. Este trabalho teve por objetivo determinar as melhores condições de crescimento da microalga marinha Nannochloropsis oculata em um fotobiorreator airlift. Os experimentos foram realizados seguindo um delineamento composto central rotacional com temperatura, (19 a 29 °C), concentração de nitrato no meio de cultivo (f/2) (25 a 125 mg.l-1) e intensidade luminosa (3636 a 10364 lux) como variáveis de estudo. Uma planta laboratorial com 12 fotobiorreatores foi construída, permitindo realizar os experimentos do referido planejamento em dois blocos. As variáveis de resposta estudadas e os respectivos melhores resultados experimentais obtidos foram de 482,7 mg.l-1 para a máxima concentração de biomassa, nas condições de 21 °C, 105 mg.l-1 de NaNO3 e 9000 lux, taxa instantânea de crescimento no período exponencial de 0,5624 d-1, nas condições de 24 °C, 75 mg.l-1 de NaNO3 e 7000 lux e percentual de lipídios em biomassa liofilizada de 30,36%, nas condições de 21 °C, 45 mg.l-1 de NaNO3 e 5000 lux. / Microalgae are photosynthetic microorganisms that convert CO2 mainly into lipids, proteins and carbohydrates. Microalgae production is currently pointed out as an alternative for CO2 biomitigation and generation of renewable biofuels, from biomass conversion by chemical and biotechnological processes. Microalgae advantages are fastest growth comparing with oil crops and their higher lipid content, which for some species can reach values above 50%. Despite the potential involving microalgae, many challenges remain to be overcome to make feasible the application of these microorganisms for energy purposes. We need to develop several areas, addressing the following issues: selection and genetic improvement of species, reaching higher photosynthetic efficiency, development of production systems and their scale up, development of systems and procedures for harvest, extraction and processing, use of nutrients from flue gases and wastewater, optimization of operating conditions, etc. This study aimed to determine the best conditions for growth of the marine microalgae Nannochloropsis oculata in airlift phootobioreactor. Experiments were carried out following a central composite design of the following variables: temperature (19 to 29 ° C), nitrate concentration in the culture medium (f/2) (25 to 125 mg.l-1) and irradiance (3636 to 10364 lux). A laboratory plant was built with 12 photobioreactors, allowing perform the central composite design in two blocks. The response variables studied and the best experimental results obtained were 482,7 mg.l-1 for maximum biomass concentration under conditions of 21 °C, NaNO3 concentration 105 mg.l-1 and 9000 lux, instantaneous rate of increase in exponential period equal to 0.5624 d-1 under the conditions of 24 °C, NaNO3 concentration 75 mg.l-1 and 7000 lux and percentual lipid content in lyophilized biomass of 30.36% under the conditions of 21 °C, NaNO3 concentration 45 mg.l-1 and 5000 lux.

Controladores PID são largamente utilizados no controle de processos industriais, tanto em sistemas monovariáveis como em sistemas multivariáveis. No entanto, muitos dos controladores encontrados na indústria são mal sintonizados. Um dos métodos mais simples de sintonia de controladores PID consiste em identificar algumas grandezas, as quais se relacionam com características do processo a controlar, e em seguida aplicar fórmulas para os parâmetros dos controladores baseadas nestas grandezas. Estas grandezas são o ganho e o período críticos do processo, os quais se relacionam diretamente com o limite de estabilidade do sistema. Uma característica bastante interessante deste método é que o mesmo pode facilmente ser implementado por um controle auto-ajustável. Por este fato, métodos de auto-ajuste destes controladores têm sido bastante utilizados em sistemas monovariáveis, através do uso do método do relé como procedimento de obtenção das grandezas críticas, necessárias à sintonia dos controladores. O método do relé consiste em aplicar um controle bang-bang em malha fechada com o processo do qual se quer identificar as grandezas críticas. Este procedimento, dentro de certas condições, provoca uma oscilação sustentada na saída do processo, da qual as grandezas críticas são obtidas. Tendo como objetivo o auto-ajuste de controladores PID em sistemas multivariáveis, o método do relé também pode ser utilizado para obtenção das grandezas críticas, devidamente adequado de maneira a obter as grandezas críticas multivariáveis do processo. Diferentes procedimentos de ensaios com relés podem ser aplicados em sistemas multivariáveis, porém somente um destes procedimentos é capaz de identificar as grandezas críticas multivariáveis do processo diretamente: o ensaio descentralizado com relés. Mesmo assim, a sintonia proposta na literatura é baseada nas fórmulas monovariáveis de Ziegler-Nichols e afins, mostrando-se, muitas vezes, inadequada. Desta forma, este trabalho tem o objetivo de apresentar um método de ajuste multivariável para controladores PID descentralizados, baseado nas grandezas críticas do processo. Este método estende o método do ponto crítico para sistemas monovariáveis aos sistemas multivariáveis, através da análise multivariável do problema. A análise do método do ponto crítico para sistemas monovariáveis mostra que um controlador PI ou PID sintonizado pelas fórmulas baseadas nas grandezas críticas do processo sempre irá deslocar o ponto crítico do processo para um outro ponto no plano complexo, determinado pelas fórmulas utilizadas. Da mesma forma, o método de sintonia proposto neste trabalho desloca o ponto crítico do processo para outro ponto no plano complexo, escolhido a priori, alterando a freqüência crítica do sistema. / PID controllers are widely used in process control, in singlevariable systems as well as in multivariable ones. Yet, many of the controllers found in industry are poorly tuned. One of the simplest tuning method of PID controllers consists in identifying some values which are related to the process characteristics, and simply apply some formulae based on these quantities to determine the parameters of the controllers. Theses quantities are the ultimate gain and the ultimate period of the process, which are directly related to the system stability limit. A very interesting characteristic of this method is that it is easily implemented by an auto-tuning control. Thus, auto-tuning methods of this kind of controllers have been largely used in singlevariable systems, using the relay feedback experiment in order to obtain the ultimate quantities, which are needed to tune the controllers. The relay feedback experiment consists in applying a bang-bang control to the process from which the ultimate quantities are to be identified. This procedure, under some conditions, provides a sustained oscillation in the process’ output, from which the ultimate quantities are obtained. Aiming at auto-tuning of PID controllers in multivariable systems, the relay feedback experiment can also be used in order to get the ultimate quantities. Different relay feedback procedures can be applied to multivariable processes, but only one of these can identify the real multivariable ultimate quantities, formally considering the multivariable nature of the process: the decentralized relay feedback (DRF). However, the tuning of the controllers proposed in the literature is based on Ziegler-Nichols like formulae, what seems to be, many times, inappropriate. This work presents a multivariable tuning method of decentralized PID controllers, based on the process’ ultimate quantities. This method extends the ultimate point method used in SISO systems to multivariable ones, through multivariable analysis of the problem. The analysis of the ultimate point method used in singlevariable systems shows that a PI or PID controller tuned through formulae based on the process’ ultimate quantities will always dislocate the ultimate point to another point in the complex plane, determined by the used formulae. The tuning method proposed in this work dislocates the process’ ultimate point of a multivariable process to another point in the complex plane, chosen a priori, modifying the system’s ultimate frequency.

Orientador: Roger Darros Barbosa / Banca: Maria Aparecida Mauro / Banca: Fernando Antonio Cabral / Resumo: A presente pesquisa propõe como alternativa melhorar o processo de extração da cafeína dos grãos de café de variedade arábica utilizando água como solvente com auxílio de ultrassom de alta intensidade. Na primeira etapa da pesquisa foram avaliadas propriedades físicas do grão no processo de hidratação e a proposição da solução analítica para a semiesfera da equação de Fick. Na segunda etapa foi avaliado o coeficiente de difusão da cafeína no processo de extração com água em diferentes temperaturas (30, 40, 50 e 60 °C). Na terceira etapa foi empregado um delineamento composto central rotacional para avaliar a porcentagem de recuperação e o coeficiente de difusão de cafeína nos grãos de café, para os tempos de 15, 30 e 60 minutos sob a influência do ultrassom de alta intensidade (30, 45, 65, 85 e 100% da amplitude da potência) em diferentes ciclos de aplicação (30, 45, 65, 85 e 100%) e em função da temperatura de extração (30, 36, 45, 53 e 60 °C). O modelo matemático para geometria semiesférica apresentou melhor ajuste aos dados experimentais, tanto para a difusão de água nos grãos de café no processo de hidratação, como para o processo de extração de cafeína em meio aquoso. O coeficiente de difusão de água no grão de café no processo de hidratação variou de 6,901 .10-11 m2 s-1 a 30 °C até 3,119 .10-10 m2 s-1 a 60 °C, com energia de ativação de 41,243 kJ mol-1. Para a difusão da cafeína, o modelo matemático para semiesfera também resultou ser ligeiramente superior na maioria dos casos, onde o coeficiente de difusão variou de 1,026 .10-11 m2 s-1 a 30 °C até 9,004 .10-11 m2 s-1 a 60 °C com uma energia de ativação de 59,933 kJ mol-1. Na aplicação de ultrassom de alta intensidade, os fatores de potência de ultrassom e a temperatura... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This research proposes as an alternative to improve the process of extracting caffeine from coffee beans, arabica variety, using water as solvent, assisted by high-intensity ultrasound. In the first stage of the research, physical properties of the grain were evaluated in the hydration process and the proposition of an analytical solution for the semi-sphere of the Fick equation. In the second stage, it was determined the diffusion coefficient of caffeine in the extraction process with water at different temperatures (30, 40, 50 and 60 °C). In the third stage, a central composite rotational design was used to assess the percentage of recovery and the diffusion coefficient of caffeine in coffee beans, for caffeine extraction upon different treatment times (15, 30 and 60 minutes) under the influence of high-intensity ultrasound (30, 45, 65, 85 and 100% of the power amplitude), different application cycles (30, 45, 65, 85 and 100%), as a function of the temperature (30, 36, 45, 53 and 60 °C). The mathematical model presented by the semispherical geometry showed the best fit to the experimental data, in comparison to Fick's sphere geometry approach, both for the diffusion of water in the coffee beans in the hydration process, and for the extraction process of caffeine in aqueous media. The diffusion coefficient of water in the coffee bean in the hydration process ranged from 6.901 ×10-11 m2 s-1 at 30°C to 3.119 ×10-10 m2 s-1 at 60°C, with and activation energy of 41.243 kJ mol-1. For the diffusion of caffeine in the grain, the semi-sphere mathematical model also resulted slightly better fitting in most cases, with a diffusion coefficient ranged from 1.026 ×10-11 m2 s-1 at 30°C to 9.004 10-11 m2 s-1 at 60°C, and an activation energy of 59.933 kJ mol-1. In the high-intensity ultrasound assisted extraction process, the ultrasound... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre