O modelo numérico Delft3D-Flow foi utilizado nos estudos da distribuição e variabilidade de propriedades termohalinas, e da circulação tridimensional do sistema estuarino dos rios Caravelas e Peruípe-SERCP. Os resultados do modelo foram validados quantitativamente usando dados experimentais de marés de quadratura e de sizígia de correntes e salinidades em quatro estações fixas (duas em cada um dos estuários de Caravelas e Nova Viçosa). No processamento foram aplicadas inicialmente condições iniciais homogêneas da salinidade, densidade e dos coeficientes cinemáticos de viscosidade e difusividade vertical, e após quatro semanas de simulação foram extraídos resultados de diferentes condições. Esses resultados foram utilizados como condições iniciais mais realistas, tendo o campo espacial variado das propriedades termohalinas, e dos parâmetros físicos. Essas novas condições iniciais permitiram pular o tempo transiente otimizando assim as simulações subsequentes. A validação das simulações foi feita com base nas medições da campanha de verão, por causa do atraso do período chuvoso a vazão do rio Peruípe foi bem representativa para condições de inverno e, portanto, seria redundante usar as forçantes dos rios com valores tão próximos na validação, além da necessidade da demanda de um tempo muito maior nas analise comparativas dos resultados. Durante o verão (janeiro de 2008), os dados de vazão do rio Peruípe obtidos na Agência Nacional de Águas (ANA) levaram a estimativa da descarga fluvial de ~ 20 m3.s-1, com a extrapolação de ~ 4 m3.s-1 para vazão conjunta dos dois principais afluentes do canal estuarino do rio Caravelas (rios Cúpido e Jaburuna). As oscilações da maré foram simuladas satisfatoriamente para as quatro estações de controle utilizadas na validação, com valores médios do parâmetro Skill superiores a 0,97. As amplitudes da maré calculadas numericamente foram de aproximadamente 1,3 m e 2,5 m na quadratura e sizígia, respectivamente. Os resultados numéricos das simulações das velocidades foram melhores em condições de sizígia com valores médios do parâmetro Skill entre 0,77 e 0,93, enquanto que na quadratura esse parâmetro variou entre 0,38 a 0,65. Para a estrutura de salinidade durante as condições de maré de sizígia, melhores resultados no SERCP do skill e, portanto abrangendo as quatro estações de controle, foram confirmados pelos parâmetros Skill médios superiores a 0,83. Na maré de quadratura os correspondentes valores médios também foram relativamente altos, variando entre 0,73-0,85. Entretanto, houve dificuldades em simular adequadamente a alta estratificação (vertical e longitudinal) do estuário de Nova Vicosa, podendo-se atribuir esse fato à maior vazão do rio Peruípe, que é muito maior do que a do rio de Caravelas. Com os resultados da estrutura de salinidade a intrusão da massa de Água Tropical (AT) foi adequadamente representada nos quilômetros iniciais do canal estuarino do rio Caravelas, e na parte interna da desembocadura na região de Nova Viçosa. Movimentos bidirecionais foram observados nos resultados das simulações na preamar e baixamar, na região de desembocadura dos estuários da Caravelas e Nova Viçosa, movimentos estes forçados pela componente baroclínica da força de gradiente de pressão. Vale ressaltar que o efeito baroclínico ficou mais visível nos instantes da baixamar. Na preamar para a maior parte destas duas regiões verificou-se apenas um pequeno desvio no sentido das correntes entre superfície (Z = -0,1) e fundo (Z = -0,9) e em geral inferior a 30 graus. Usando os traçadores lagrangeanos virtuais lançados ao longo dos canais estuarinos das entradas norte (Caravelas) e sul (Nova Viçosa) do SERCP foi obtido como resultado um tempo de residência relativamente pequeno e comparável ao estuário tropical do rio Curimataú. No trecho analisado no canal estuarino do rio Caravelas, a ~ 3 km e ~ 12 km distantes da Boca do Tomba o tempo de residência médio foi ~ 4,2 dias e ~10,3 dias, respectivamente. Já no estuário de Nova Viçosa, ou canal estuarino do rio Peruípe, apenas o trecho inicial de 5 km foi considerado para o lançamento dos traçadores, e os tempos de residência de ~ 1,5 dias e 2,5 dias foram estimados para as posições de ~2,5 km e 5,0 km distantes da desembocadura. O modelo analítico proposto e usado no cálculo de tempo de residência teve resultados comparáveis aos obtidos pelas simulações pelo método lagrangeano do Delft-3D Flow. Diferentemente, o modelo LOICZ apresentou valores bem diferentes do tempo de residência para os seis estuários analisados (Caravelas, Nova Viçosa, Curimataú, Hudson, Conwy and Mersey), em geral bem inferiores aos do modelo proposto, indicando assim uma possível estimativa maior do fluxo difusivo na formulação do modelo LOICZ. / The numerical model Delft-Flow was used to study the spatial distribution and variability of the termohaline properties, and the tridimensional circulation in the estuarine system of the rivers Caravelas and Peruípe. The model results were validated quantitatively using field data of tidal oscilation and currents, and salinity measurements during neap and spring tides at four mooring stations, two in each estuary. In the data processing homogeneous conditions were used initially for the fields of salinity, density and the vertical kinematic coeficients of viscosity and diffusivity, then after four weeks of running simulation those fields were saved with spatially varied conditions. Those results were used for a more realistic initial condition, thus having a varied field of the termohaline properties, and of the physical parameters. The new initial conditions allowed avoiding the transient time and thus optimizing the following simulations. The model evaluation was done based on measurements undertaken during the summer season, because of the delay in the raining season, the Peruípe river discharge was low and more representative of dry season condition, for those reasons we just used the measurement taken in the January 2008. In the summer the measurements of the Peruíbe river discharge taken from the Agência Nacional de Águas (ANA), and the river flow of was estimated at ~ 20 m3.s-1, with the extrapolation of ~ 4 m3.s-1 for the unified flow from the rivers Cúpido and Jaburuna, with contribute to the flow in the Caravelas estuary. Tidal oscillation at neap and spring tides were well simulated for the 4 controling sites used to the validation, and with the mean skill values over 0.97. The tidal amplitudes were numerical calculated and nearly between 1.3 and 2.5 meters at neap and spring tides, respectively. The numerical results of the velocities were better simulated in spring tides with the mean skill values in the range of 0.77 and 0.93, while at neap tides this parameter varied between 0.38 and 0.65. For the salinity structure at spring tides good results in the estuarine system were achieved, hence comprising all the controling station for validation, with all mean skill values over 0.83. At neap tides the corresponding mean skill values were relatively high, varing in the range of 0.73-0.85. In addition, there were difficulties in simulation adequately the highly vertical and longitudinal stratification of the Nova Vicosa estuary. That was caused by the stronger river inflow of the Peruípe River, which is much higher than the inflow by Caravelas River. The intrusion of the Tropical Water mass (TW) was properly simulated given the right distribution of the salinity along the first quilometers of the estuarine channel of Caravelas, and the internal part of the Nova Viçosa estuarine mouth. Bidirectional movements were observed from the model outputs at the high and low tides, at the region near the mouth of both, Caravelas and Nova Viçosa estuary. Those moviments are forced by the baroclinic component of the pressure gradient. Is worth to mention the the baroclinic effect was better observed at the low tides of these regions. At high tide most of areas showed only a small change in the current direction between surface (Z = -0.1) and bottom (Z = -0.9) and usually smaller than 30 degrees. The virtual lagrangian drifters released along the estuarine channels of Caravelas (north) and Nova Viçosa (south) have shown a residence time relatively short, and comparable to the Curimataú tropical estuary. In the released location between 3 and 12 km of distance from the Caravelas mouth, the residence time was in the range of 4.2 and 10.3 days. Differently, at the Nova Viçosa estuary, only the first 5 km were studied and the residence time of 1.5 and 2.5 days was estimated for the respectives positions of 2.5 and 5.0 km away from the mouth. The analytical model proposed and used to calculate the residence time leaded to results comparable to the results from the numerical simulation using the Lagrangian method of the Delft-3D Flow. Differently, the LOICZ model has shown results really different of the residence time for all the six estuaries (Caravelas, Nova Viçosa, Curimataú, Hudson, Conwy and Mersey), and in general much smaller then the results from the proposed formula, thus indicating a possible overestimation of the diffusive flux assumed in the LOICZ formulation.

A aplicação da técnica de leito de jorro na secagem de pastas têm sido objeto de inúmeras investigações nos últimos anos, devido a possibilidade de obtenção de produtos de alta qualidade em uma operação de reduzido custo. No presente trabalho, avaliou-se a influência dessa técnica sobre as características e o desempenho de liberação de microcápsulas contendo diferentes fármacos modelo. Microcápsulas de caseína-pectina contendo indometacina e paracetamol foram preparadas por coacervação e posteriormente secas por leito de jorro e por spray drying. Após a secagem por leito de jorro, verificou-se uma redução na quantidade de indometacina recuperada a partir das microcápsulas. Não se observou segregação do fármaco durante a operação de secagem por leito de jorro, indicando que a reduzida recuperação do mesmo foi resultado do estabelecimento uma interação fármaco-polímero, a qual ocorre especificamente entre a caseína e a indometacina. A avaliação físico-química desses materiais indicou que a interação proposta possui natureza covalente e os estudos in vivo de atividade antiinflamatória das microcápsulas contendo indometacina mostraram a irreversibilidade dessa ligação em ambiente biológico. A metodologia de estímulo resposta foi avaliada e otimizada para a determinação do tempo de residência das microcápsulas em leito de jorro. Apesar de confiáveis, os valores de tempo de residência obtidos não puderam ser correlacionados à formação da interação fármaco-polímero, por se apresentarem estáveis quando da variação das condições operacionais do secador. Por outro lado, a vazão e a temperatura do ar de secagem mostraram influência significante sobre a formação da referida interação. Posteriormente à investigação da interação indometacina-caseína, foi avaliada a funcionalidade das microcápsulas obtidas por leito de jorro e por spray drying. Para tanto, foram realizados estudos de liberação in vitro, os quais mostraram a similaridade entre os perfis de dissolução da indometacina do paracetamol independentemente do método de secagem empregado. Uma exceção está na formulação não reticulada contendo indometacina, que apresentou um elevado nível de ruptura após a secagem por leito de jorro. Os dados obtidos na avaliação da funcionalidade dos sistemas juntamente com a constatação experimental do maior aproveitamento energético na secagem por leito de jorro, permitem considerar que a utilização dessa técnica na secagem de microcápsulas é promissora, visto que a interação fármaco-polímero discutida nesse trabalho é específica e dependente do tipo de fármaco encapsulado / The use of spouted bed technique in the drying of paste has been subject to many researches in the past years due to the possibility of obtaining high quality products at low cost. In present work the influence of this technique on microcapsule drug delivery systems performance was evaluated. Casein-pectin microcapsules with entrapped indomethacin and acetaminophen were prepared using the complex coacervation method. Thereafter the coacervates were dried using the spouted bed and spray drying techniques. After spouted bed drying an interaction between indomethacin and casein was observed, with reduction of drug recovery from microcapsules. The mass balance studies showed the absence of indomethacin segregation during spouted bed drying, which indicates drug-polymer interaction. This interaction was not observed for acetaminophen. The physico-chemical evaluation suggests that the indomethacin interaction had covalent nature and in vivo studies showed its stability under enzymatic biological conditions. The microcapsule residence time during spouted bed drying was determined using a validated and optimized stimulus response method. Despite the reliable results obtained it was not possible to determine the influence of residence times on drug-polymer interaction due to the stability of those values with operational conditions. On the other hand air temperature and air flow rate during spouted bed drying affected significantly the degree of drug polymer interaction. In order to evaluate the spouted bed and spray dried microcapsule?s performance a dissolution study was performed. The results showed very similar drug release, with exception for the non-crosslinked formulations dried in spouted bed. These microcapsules were ruptured by spouted bed mechanical stresses. The results obtained on the microcapsules performance evaluation and the characteristics of thermal efficiency and high evaporative capacity of spouted bed demonstrate the potential application of casein-pectin spouted bed drying

A crescente demanda por biocombustíveis e a concorrência dos combustíveis fósseis torna necessária a otimização dos meios já existentes e o desenvolvimento de novas tecnologias para produção de biocombustíveis, principalmente em projetos envolvendo biorreatores e fotobiorreatores (FBR) industriais. A dinâmica dos fluidos computacional (CFD) vem sendo utilizada em vários trabalhos para o estudo de parâmetros fluidodinâmicos que podem influenciar no rendimento dos processos químicos envolvidos, como tensão de cisalhamento, perfis de velocidade, tempo de residência e a influência da geometria sobre esses parâmetros. Contudo, não existe ainda um número abrangente de trabalhos que utilize técnicas de otimização acopladas com a resolução numérica do problema fluidodinâmico. Em alguns estudos, algoritmos de otimização são utilizados para determinar os melhores coeficientes das reações químicas. No entanto, não há estudos, até o momento, que reportem a otimização multiobjetivo simultânea dos parâmetros geométricos e do escoamento aplicados a equipamentos da indústria sucro-energética. Neste contexto, o presente trabalho de pesquisa tem como objetivo contribuir para o avanço científico e tecnológico através da implementação de um software aberto (PyCFD-O) que permita o acoplamento CFD-otimização e o desenvolvimento das bases de uma metodologia de projeto otimizado bem como de operação de biorreatores e FBRs de escala industrial. O PyCFD-O foi testado em dois estudos de caso que podem ser estendidos a um fermentador contínuo e um FBR. Os parâmetros geométricos de ambos os reatores foram otimizados de forma a minimizar simultaneamente a tensão de cisalhamento e a variância da distribuição do tempo de residência. O software PyCFD-O mostrou-se robusto, revelando que o processo global de otimização realiza de fato a busca pela fronteira de Pareto. Além da obtenção das geometrias otimizadas, também foram discutidos a influência dos parâmetros geométricos na hidrodinâmica do escoamento em ambos os casos. / The growing demand for biofuels and its competition with fossil fuels create the need to optimize the existing resources and development of new technologies for production of biofuels, particularly in projects involving industrial bioreactors and photobioreactors (PBR). Computational fluid dynamics (CFD) has been used in several studies for the study of fluid dynamics parameters that can influence the performance of the chemical process involved, such as shear stress, velocity profiles, residence time and the influence of these parameters on the reactor geometry. However, there are lacks of studies that utilize optimization techniques coupled with the numerical resolution of the fluid dynamic problem. The use of optimization algorithms has been reported in some cases, but there have not been reports on studies combining the optimization of flow parameters and multiobjective algorithms to choose ideal geometric parameters applied to the equipment of the sugar-energy industry. In this context, this research project aims to contribute to the advancement of scientific and technological knowledge trhough the implementation of open source software (PyCFD-O) for the CFD-optimization coupling and the development of the bases of a methodology for optimal design and operation of industrial scale bioreactors and PBR. The PyCFD-O software was tested in two case studies with characteristics that can be extended to a continuos fermenter and PBR. The geometric parameters of both reactors were simultaneously optimized in order to minimize the shear stress and the variance of residence time distribuition. The PyCFD-O software showed robustness, revealing that overall optimization process actually performs the search of Pareto frontier. In addition to the geometry optimization, the influence of the geometrical parameters of the hydrodynamic of the flow was discussed in both case studies.

Este estudo apresenta a modelagem fluidodinâmica de um reator solar utilizado para Processos Oxidativos Avançados (POA). Desenvolveu-se um modelo que considera a fluidodinâmica, o campo de radiação e cinética da reação de actinometria química (ferrioxalato), em regime transiente. Essa modelagem foi feita utilizando-se o código de fluidodinâmica computacional PHOENICS. Para análise dos resultados de simulações com o modelo, consideraram-se os dados experimentais de actinometria química para um trecho do reator, constituído de dois tubos (hairpin), e de distribuição de tempos de residência (DTR), para o reator completo, constituído de dez tubos. Os dados experimentais foram obtidos por RIBEIRO (2009). O resultado da análise da distribuição do tempo de residência do reator completo mostrou que o modelo baseado em escoamento laminar apresentou uma maior aderência aos dados experimentais de DTR. Como os experimentos de actinometria foram realizados em trecho com dois tubos do reator, construiu-se a geometria do hairpin que apresentou uma DTR mais aderente aos modelos teóricos. Outra simplificação foi necessária para a modelagem do campo de radiação de forma mais precisa, adaptando-se o hairpin para um tubo reto simples. A partir dos resultados de actinometria química foi possível estimar, pelo modelo, a taxa de fótons incidentes na parede do reator. / This study consists of the fluid dynamic modeling of a solar reactor used in Advanced Oxidation Processes (AOP). The model was developed by considering fluid dynamics, radiation field and the kinetics of the chemical actinometry reaction (ferrioxalate) in transient regime. This modeling was developed using computational fluid dynamics (CFD) in PHOENICS. Simulation results based on the model were analyzed by comparing them with a set of chemical actinometry experimental data obtained by RIBEIRO (2009). This considered a reactor section constituted by two pipes (hairpin), and the residence time distribution (RTD) of the complete reactor, composed of ten pipes. Residence time distribution results showed that the laminar flow model presented a better fitting to experimental data. Since the actinometry experiments were carried out in a reactor section with two pipes, a new geometry was designed, which resulted in a better fitting of RTD results with theoretical models. In order to obtain a more precise radiation field model, another simplification was necessary, which consisted of assuming a straight cylindrical pipe geometry. The use of the chemical actinometry and the radiation field model enabled the estimation of the incident photons rate at reactor wall.

O modelo numérico Delft3D-Flow foi utilizado nos estudos da distribuição e variabilidade de propriedades termohalinas, e da circulação tridimensional do sistema estuarino dos rios Caravelas e Peruípe-SERCP. Os resultados do modelo foram validados quantitativamente usando dados experimentais de marés de quadratura e de sizígia de correntes e salinidades em quatro estações fixas (duas em cada um dos estuários de Caravelas e Nova Viçosa). No processamento foram aplicadas inicialmente condições iniciais homogêneas da salinidade, densidade e dos coeficientes cinemáticos de viscosidade e difusividade vertical, e após quatro semanas de simulação foram extraídos resultados de diferentes condições. Esses resultados foram utilizados como condições iniciais mais realistas, tendo o campo espacial variado das propriedades termohalinas, e dos parâmetros físicos. Essas novas condições iniciais permitiram pular o tempo transiente otimizando assim as simulações subsequentes. A validação das simulações foi feita com base nas medições da campanha de verão, por causa do atraso do período chuvoso a vazão do rio Peruípe foi bem representativa para condições de inverno e, portanto, seria redundante usar as forçantes dos rios com valores tão próximos na validação, além da necessidade da demanda de um tempo muito maior nas analise comparativas dos resultados. Durante o verão (janeiro de 2008), os dados de vazão do rio Peruípe obtidos na Agência Nacional de Águas (ANA) levaram a estimativa da descarga fluvial de ~ 20 m3.s-1, com a extrapolação de ~ 4 m3.s-1 para vazão conjunta dos dois principais afluentes do canal estuarino do rio Caravelas (rios Cúpido e Jaburuna). As oscilações da maré foram simuladas satisfatoriamente para as quatro estações de controle utilizadas na validação, com valores médios do parâmetro Skill superiores a 0,97. As amplitudes da maré calculadas numericamente foram de aproximadamente 1,3 m e 2,5 m na quadratura e sizígia, respectivamente. Os resultados numéricos das simulações das velocidades foram melhores em condições de sizígia com valores médios do parâmetro Skill entre 0,77 e 0,93, enquanto que na quadratura esse parâmetro variou entre 0,38 a 0,65. Para a estrutura de salinidade durante as condições de maré de sizígia, melhores resultados no SERCP do skill e, portanto abrangendo as quatro estações de controle, foram confirmados pelos parâmetros Skill médios superiores a 0,83. Na maré de quadratura os correspondentes valores médios também foram relativamente altos, variando entre 0,73-0,85. Entretanto, houve dificuldades em simular adequadamente a alta estratificação (vertical e longitudinal) do estuário de Nova Vicosa, podendo-se atribuir esse fato à maior vazão do rio Peruípe, que é muito maior do que a do rio de Caravelas. Com os resultados da estrutura de salinidade a intrusão da massa de Água Tropical (AT) foi adequadamente representada nos quilômetros iniciais do canal estuarino do rio Caravelas, e na parte interna da desembocadura na região de Nova Viçosa. Movimentos bidirecionais foram observados nos resultados das simulações na preamar e baixamar, na região de desembocadura dos estuários da Caravelas e Nova Viçosa, movimentos estes forçados pela componente baroclínica da força de gradiente de pressão. Vale ressaltar que o efeito baroclínico ficou mais visível nos instantes da baixamar. Na preamar para a maior parte destas duas regiões verificou-se apenas um pequeno desvio no sentido das correntes entre superfície (Z = -0,1) e fundo (Z = -0,9) e em geral inferior a 30 graus. Usando os traçadores lagrangeanos virtuais lançados ao longo dos canais estuarinos das entradas norte (Caravelas) e sul (Nova Viçosa) do SERCP foi obtido como resultado um tempo de residência relativamente pequeno e comparável ao estuário tropical do rio Curimataú. No trecho analisado no canal estuarino do rio Caravelas, a ~ 3 km e ~ 12 km distantes da Boca do Tomba o tempo de residência médio foi ~ 4,2 dias e ~10,3 dias, respectivamente. Já no estuário de Nova Viçosa, ou canal estuarino do rio Peruípe, apenas o trecho inicial de 5 km foi considerado para o lançamento dos traçadores, e os tempos de residência de ~ 1,5 dias e 2,5 dias foram estimados para as posições de ~2,5 km e 5,0 km distantes da desembocadura. O modelo analítico proposto e usado no cálculo de tempo de residência teve resultados comparáveis aos obtidos pelas simulações pelo método lagrangeano do Delft-3D Flow. Diferentemente, o modelo LOICZ apresentou valores bem diferentes do tempo de residência para os seis estuários analisados (Caravelas, Nova Viçosa, Curimataú, Hudson, Conwy and Mersey), em geral bem inferiores aos do modelo proposto, indicando assim uma possível estimativa maior do fluxo difusivo na formulação do modelo LOICZ. / The numerical model Delft-Flow was used to study the spatial distribution and variability of the termohaline properties, and the tridimensional circulation in the estuarine system of the rivers Caravelas and Peruípe. The model results were validated quantitatively using field data of tidal oscilation and currents, and salinity measurements during neap and spring tides at four mooring stations, two in each estuary. In the data processing homogeneous conditions were used initially for the fields of salinity, density and the vertical kinematic coeficients of viscosity and diffusivity, then after four weeks of running simulation those fields were saved with spatially varied conditions. Those results were used for a more realistic initial condition, thus having a varied field of the termohaline properties, and of the physical parameters. The new initial conditions allowed avoiding the transient time and thus optimizing the following simulations. The model evaluation was done based on measurements undertaken during the summer season, because of the delay in the raining season, the Peruípe river discharge was low and more representative of dry season condition, for those reasons we just used the measurement taken in the January 2008. In the summer the measurements of the Peruíbe river discharge taken from the Agência Nacional de Águas (ANA), and the river flow of was estimated at ~ 20 m3.s-1, with the extrapolation of ~ 4 m3.s-1 for the unified flow from the rivers Cúpido and Jaburuna, with contribute to the flow in the Caravelas estuary. Tidal oscillation at neap and spring tides were well simulated for the 4 controling sites used to the validation, and with the mean skill values over 0.97. The tidal amplitudes were numerical calculated and nearly between 1.3 and 2.5 meters at neap and spring tides, respectively. The numerical results of the velocities were better simulated in spring tides with the mean skill values in the range of 0.77 and 0.93, while at neap tides this parameter varied between 0.38 and 0.65. For the salinity structure at spring tides good results in the estuarine system were achieved, hence comprising all the controling station for validation, with all mean skill values over 0.83. At neap tides the corresponding mean skill values were relatively high, varing in the range of 0.73-0.85. In addition, there were difficulties in simulation adequately the highly vertical and longitudinal stratification of the Nova Vicosa estuary. That was caused by the stronger river inflow of the Peruípe River, which is much higher than the inflow by Caravelas River. The intrusion of the Tropical Water mass (TW) was properly simulated given the right distribution of the salinity along the first quilometers of the estuarine channel of Caravelas, and the internal part of the Nova Viçosa estuarine mouth. Bidirectional movements were observed from the model outputs at the high and low tides, at the region near the mouth of both, Caravelas and Nova Viçosa estuary. Those moviments are forced by the baroclinic component of the pressure gradient. Is worth to mention the the baroclinic effect was better observed at the low tides of these regions. At high tide most of areas showed only a small change in the current direction between surface (Z = -0.1) and bottom (Z = -0.9) and usually smaller than 30 degrees. The virtual lagrangian drifters released along the estuarine channels of Caravelas (north) and Nova Viçosa (south) have shown a residence time relatively short, and comparable to the Curimataú tropical estuary. In the released location between 3 and 12 km of distance from the Caravelas mouth, the residence time was in the range of 4.2 and 10.3 days. Differently, at the Nova Viçosa estuary, only the first 5 km were studied and the residence time of 1.5 and 2.5 days was estimated for the respectives positions of 2.5 and 5.0 km away from the mouth. The analytical model proposed and used to calculate the residence time leaded to results comparable to the results from the numerical simulation using the Lagrangian method of the Delft-3D Flow. Differently, the LOICZ model has shown results really different of the residence time for all the six estuaries (Caravelas, Nova Viçosa, Curimataú, Hudson, Conwy and Mersey), and in general much smaller then the results from the proposed formula, thus indicating a possible overestimation of the diffusive flux assumed in the LOICZ formulation.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / To study the dispersion of the coffee fruits during the drying, a vibrated tray drier with recycle was used. The dryer consists basically of four sections: drying vertical tunnel, vibration system, system of warm air supply to the drying tunnel and recycle system of coffee fruits. The drying tunnel contains four perforated trays through which the coffee fruits and air flow out, in cross flow. The coffee fruits drying was carried out using two experimental design, where the studied variables were, for the first design: coffee fruits temperature (40; 45 and 50ºC); mass of coffee fruits (11.5; 12.5 and 13.5 kg) and air mass rate (7; 8 and 9 kg air/min); the varieties of coffee fruits were: Acaiá, Catuaí and Mundo Novo; and for the second design: mass of coffee fruits (10; 12 and 14 kg) and air mass rate (7; 8 and 9 kg air/min), with coffee fruits temperature around 45ºC and the coffee variety Mundo Novo. For the first experimental design, the coffee fruits temperature only influenced significantly the drying time, where the largest temperature level reduces in 26.77 h the drying time. For the second experimental design, the studied variables were not significant on drying time. Coffee fruit sphericity, density, sticky decreased with the decrease of the moisture content. With reference to the quality of coffee grain, the best operational conditions were obtained with greater coffee fruits mass and air mass rate. The coffee fruits flow in the drying tunnel is promoted by vibration of the trays coupled to electromagnetic vibrators. The vibration amplitude was determined by an accelerometer connected to a signal conditioner and an analogical oscilloscope. The vibration amplitude decreased with the reduction of the coffee fruits moisture content due to the shrinkage and decrease of the mass, sticky, density and particle size coffee fruits. The coffee fruits mass rate and the residence time distribution were determined (RTD), during the drying. At the end of the drying, the flow occurs with easiness due to: absence of sticky of the coffee fruits; decrease of the particle mass and particle vibration damping decrease, due to particle rigidity acquired in the drying. The dispersion coefficient (Ez) was determined by Taylor Dispersion Model, Free Dispersion Model and Modified Free Dispersion Model. For the great majority of the experiments, the model that better fitted the experimental data (greater coefficient of correlation) was the model of the Modified Free Dispersion. The dispersion coefficient (Modified Free Dispersion) ranged from 1.31×10-4 to 68.67×10-4 m2/s. The Péclet number ranged from 1.15 to 31.00. / Para estudar a dispersão dos frutos de café durante a secagem, utilizou-se um secador de bandejas vibradas com reciclo. O secador consiste basicamente de quatro seções: túnel vertical de secagem, sistema de vibração, sistema de injeção de ar aquecido no túnel de secagem e sistema de reciclo dos frutos de café. O túnel de secagem contém quatro bandejas perfuradas por onde escoam os frutos de café e o ar, em fluxo cruzado. A secagem dos frutos de café foi realizada utilizando-se dois planejamentos experimentais, onde as variáveis estudadas foram, para o primeiro planejamento de secagem: temperatura dos frutos de café (40; 45 e 50ºC); massa de frutos de café alimentada (11,5; 12,5 e 13,5 kg) e vazão de ar de secagem (7; 8 e 9 kg ar/min), a variedade dos frutos de café foram: Acaiá, Catuaí e Mundo Novo; e para o segundo planejamento de secagem: massa de frutos de café (10; 12 e 14 kg) e vazão de ar (7; 8 e 9 kg ar/min), mantendo-se a temperatura dos frutos em 45ºC e a variedade Mundo Novo. Para o primeiro planejamento somente a temperatura dos frutos influenciou significativamente o tempo de secagem, onde o maior nível de temperatura reduz em 26,77 h o tempo de secagem. Para o segundo planejamento as variáveis estudadas não foram significativas para o tempo total de secagem dos frutos de café. Durante a secagem ocorre encolhimento dos frutos de café, diminuição da esfericidade, da pegajosidade, da densidade aparente e aumento da área superficial específica com a diminuição do conteúdo de umidade dos frutos de café. Em relação à qualidade do grão de café, as melhores condições operacionais foram obtidas com maior massa e maior vazão de ar de secagem. O escoamento do café no túnel de secagem é promovido pela vibração das bandejas acopladas a vibradores eletromagnéticos. A amplitude de vibração foi determinada por um acelerômetro acoplado a um condicionador de sinal e a um osciloscópio analógico. A amplitude vibracional diminuiu com a diminuição da umidade dos frutos de café devido ao encolhimento e à diminuição da massa, da pegajosidade, da densidade e do diâmetro dos frutos de café. Durante a secagem foram determinadas a vazão mássica dos frutos de café e a distribuição do tempo de residência (DTR). Ao final da secagem, o escoamento dos frutos de café ocorre com maior facilidade devido a: ausência de pegajosidade dos frutos de café; diminuição da massa das partículas e redução do amortecimento da vibração dos frutos de café devido à rigidez adquirida na secagem. O coeficiente de dispersão (Ez) foi determinado pelos modelos da Dispersão de Taylor, da Dispersão Livre e da Dispersão Livre Modificado. Para a grande maioria dos experimentos, o modelo que melhor se ajustou aos dados experimentais (maior coeficiente de correlação) foi o Modelo da Dispersão Livre Modificado. O coeficiente de dispersão dos frutos de café variou de 1,31×10-4 a 68,67×10-4 m2/s. O número de Péclet variou de 1,15 a 31,00. / Doutor em Engenharia Química

Este estudo apresenta a modelagem fluidodinâmica de um reator solar utilizado para Processos Oxidativos Avançados (POA). Desenvolveu-se um modelo que considera a fluidodinâmica, o campo de radiação e cinética da reação de actinometria química (ferrioxalato), em regime transiente. Essa modelagem foi feita utilizando-se o código de fluidodinâmica computacional PHOENICS. Para análise dos resultados de simulações com o modelo, consideraram-se os dados experimentais de actinometria química para um trecho do reator, constituído de dois tubos (hairpin), e de distribuição de tempos de residência (DTR), para o reator completo, constituído de dez tubos. Os dados experimentais foram obtidos por RIBEIRO (2009). O resultado da análise da distribuição do tempo de residência do reator completo mostrou que o modelo baseado em escoamento laminar apresentou uma maior aderência aos dados experimentais de DTR. Como os experimentos de actinometria foram realizados em trecho com dois tubos do reator, construiu-se a geometria do hairpin que apresentou uma DTR mais aderente aos modelos teóricos. Outra simplificação foi necessária para a modelagem do campo de radiação de forma mais precisa, adaptando-se o hairpin para um tubo reto simples. A partir dos resultados de actinometria química foi possível estimar, pelo modelo, a taxa de fótons incidentes na parede do reator. / This study consists of the fluid dynamic modeling of a solar reactor used in Advanced Oxidation Processes (AOP). The model was developed by considering fluid dynamics, radiation field and the kinetics of the chemical actinometry reaction (ferrioxalate) in transient regime. This modeling was developed using computational fluid dynamics (CFD) in PHOENICS. Simulation results based on the model were analyzed by comparing them with a set of chemical actinometry experimental data obtained by RIBEIRO (2009). This considered a reactor section constituted by two pipes (hairpin), and the residence time distribution (RTD) of the complete reactor, composed of ten pipes. Residence time distribution results showed that the laminar flow model presented a better fitting to experimental data. Since the actinometry experiments were carried out in a reactor section with two pipes, a new geometry was designed, which resulted in a better fitting of RTD results with theoretical models. In order to obtain a more precise radiation field model, another simplification was necessary, which consisted of assuming a straight cylindrical pipe geometry. The use of the chemical actinometry and the radiation field model enabled the estimation of the incident photons rate at reactor wall.

A crescente demanda por biocombustíveis e a concorrência dos combustíveis fósseis torna necessária a otimização dos meios já existentes e o desenvolvimento de novas tecnologias para produção de biocombustíveis, principalmente em projetos envolvendo biorreatores e fotobiorreatores (FBR) industriais. A dinâmica dos fluidos computacional (CFD) vem sendo utilizada em vários trabalhos para o estudo de parâmetros fluidodinâmicos que podem influenciar no rendimento dos processos químicos envolvidos, como tensão de cisalhamento, perfis de velocidade, tempo de residência e a influência da geometria sobre esses parâmetros. Contudo, não existe ainda um número abrangente de trabalhos que utilize técnicas de otimização acopladas com a resolução numérica do problema fluidodinâmico. Em alguns estudos, algoritmos de otimização são utilizados para determinar os melhores coeficientes das reações químicas. No entanto, não há estudos, até o momento, que reportem a otimização multiobjetivo simultânea dos parâmetros geométricos e do escoamento aplicados a equipamentos da indústria sucro-energética. Neste contexto, o presente trabalho de pesquisa tem como objetivo contribuir para o avanço científico e tecnológico através da implementação de um software aberto (PyCFD-O) que permita o acoplamento CFD-otimização e o desenvolvimento das bases de uma metodologia de projeto otimizado bem como de operação de biorreatores e FBRs de escala industrial. O PyCFD-O foi testado em dois estudos de caso que podem ser estendidos a um fermentador contínuo e um FBR. Os parâmetros geométricos de ambos os reatores foram otimizados de forma a minimizar simultaneamente a tensão de cisalhamento e a variância da distribuição do tempo de residência. O software PyCFD-O mostrou-se robusto, revelando que o processo global de otimização realiza de fato a busca pela fronteira de Pareto. Além da obtenção das geometrias otimizadas, também foram discutidos a influência dos parâmetros geométricos na hidrodinâmica do escoamento em ambos os casos. / The growing demand for biofuels and its competition with fossil fuels create the need to optimize the existing resources and development of new technologies for production of biofuels, particularly in projects involving industrial bioreactors and photobioreactors (PBR). Computational fluid dynamics (CFD) has been used in several studies for the study of fluid dynamics parameters that can influence the performance of the chemical process involved, such as shear stress, velocity profiles, residence time and the influence of these parameters on the reactor geometry. However, there are lacks of studies that utilize optimization techniques coupled with the numerical resolution of the fluid dynamic problem. The use of optimization algorithms has been reported in some cases, but there have not been reports on studies combining the optimization of flow parameters and multiobjective algorithms to choose ideal geometric parameters applied to the equipment of the sugar-energy industry. In this context, this research project aims to contribute to the advancement of scientific and technological knowledge trhough the implementation of open source software (PyCFD-O) for the CFD-optimization coupling and the development of the bases of a methodology for optimal design and operation of industrial scale bioreactors and PBR. The PyCFD-O software was tested in two case studies with characteristics that can be extended to a continuos fermenter and PBR. The geometric parameters of both reactors were simultaneously optimized in order to minimize the shear stress and the variance of residence time distribuition. The PyCFD-O software showed robustness, revealing that overall optimization process actually performs the search of Pareto frontier. In addition to the geometry optimization, the influence of the geometrical parameters of the hydrodynamic of the flow was discussed in both case studies.

A aplicação da técnica de leito de jorro na secagem de pastas têm sido objeto de inúmeras investigações nos últimos anos, devido a possibilidade de obtenção de produtos de alta qualidade em uma operação de reduzido custo. No presente trabalho, avaliou-se a influência dessa técnica sobre as características e o desempenho de liberação de microcápsulas contendo diferentes fármacos modelo. Microcápsulas de caseína-pectina contendo indometacina e paracetamol foram preparadas por coacervação e posteriormente secas por leito de jorro e por spray drying. Após a secagem por leito de jorro, verificou-se uma redução na quantidade de indometacina recuperada a partir das microcápsulas. Não se observou segregação do fármaco durante a operação de secagem por leito de jorro, indicando que a reduzida recuperação do mesmo foi resultado do estabelecimento uma interação fármaco-polímero, a qual ocorre especificamente entre a caseína e a indometacina. A avaliação físico-química desses materiais indicou que a interação proposta possui natureza covalente e os estudos in vivo de atividade antiinflamatória das microcápsulas contendo indometacina mostraram a irreversibilidade dessa ligação em ambiente biológico. A metodologia de estímulo resposta foi avaliada e otimizada para a determinação do tempo de residência das microcápsulas em leito de jorro. Apesar de confiáveis, os valores de tempo de residência obtidos não puderam ser correlacionados à formação da interação fármaco-polímero, por se apresentarem estáveis quando da variação das condições operacionais do secador. Por outro lado, a vazão e a temperatura do ar de secagem mostraram influência significante sobre a formação da referida interação. Posteriormente à investigação da interação indometacina-caseína, foi avaliada a funcionalidade das microcápsulas obtidas por leito de jorro e por spray drying. Para tanto, foram realizados estudos de liberação in vitro, os quais mostraram a similaridade entre os perfis de dissolução da indometacina do paracetamol independentemente do método de secagem empregado. Uma exceção está na formulação não reticulada contendo indometacina, que apresentou um elevado nível de ruptura após a secagem por leito de jorro. Os dados obtidos na avaliação da funcionalidade dos sistemas juntamente com a constatação experimental do maior aproveitamento energético na secagem por leito de jorro, permitem considerar que a utilização dessa técnica na secagem de microcápsulas é promissora, visto que a interação fármaco-polímero discutida nesse trabalho é específica e dependente do tipo de fármaco encapsulado / The use of spouted bed technique in the drying of paste has been subject to many researches in the past years due to the possibility of obtaining high quality products at low cost. In present work the influence of this technique on microcapsule drug delivery systems performance was evaluated. Casein-pectin microcapsules with entrapped indomethacin and acetaminophen were prepared using the complex coacervation method. Thereafter the coacervates were dried using the spouted bed and spray drying techniques. After spouted bed drying an interaction between indomethacin and casein was observed, with reduction of drug recovery from microcapsules. The mass balance studies showed the absence of indomethacin segregation during spouted bed drying, which indicates drug-polymer interaction. This interaction was not observed for acetaminophen. The physico-chemical evaluation suggests that the indomethacin interaction had covalent nature and in vivo studies showed its stability under enzymatic biological conditions. The microcapsule residence time during spouted bed drying was determined using a validated and optimized stimulus response method. Despite the reliable results obtained it was not possible to determine the influence of residence times on drug-polymer interaction due to the stability of those values with operational conditions. On the other hand air temperature and air flow rate during spouted bed drying affected significantly the degree of drug polymer interaction. In order to evaluate the spouted bed and spray dried microcapsule?s performance a dissolution study was performed. The results showed very similar drug release, with exception for the non-crosslinked formulations dried in spouted bed. These microcapsules were ruptured by spouted bed mechanical stresses. The results obtained on the microcapsules performance evaluation and the characteristics of thermal efficiency and high evaporative capacity of spouted bed demonstrate the potential application of casein-pectin spouted bed drying

No meio científico são bastante utilizados os modelos matemáticos para avaliar as características hidrodinâmicas de reatores, porém a literatura é pobre em informações relativas à aplicação do equacionamento matemático em regime não-permanente. Neste trabalho foi aplicado um modelo matemático simulando a hidrodinâmica de reatores tubulares com dispersão para avaliar o efeito da variação de vazão afluente sobre os parâmetros hidrodinâmicos. As simulações foram efetuadas considerando vazão e volume constantes, vazão e volume variáveis e vazão variável e volume constante. Foi investigada a influência de dois tipos de ensaios estímulo-resposta, pulso e degrau, para aplicação de modelos matemáticos e determinação das curvas de distribuição do tempo de residência (DTR) experimentais. Teoricamente ambos devem fornecer os mesmos resultados embora o ensaio em pulso costume apresentar maior sensibilidade experimental. Conforme esperado, ambos os ensaios apresentaram os mesmos resultados finais. Também foram avaliados os traçadores empregados nos dois tipos de ensaios estímulo-resposta, pulso e degrau. Foram empregados três traçadores diferentes - verde de bromocresol, azul de bromofenol e eosina Y que proporcionaram curvas com diferentes características. Como ferramenta auxiliar da modelação foram estudas a determinação das curvas DTR experimentais com auxílio de duas técnicas distintas. Para calibrar o modelo matemático proposto foram utilizados dados de reatores em escala de bancada com diferentes configurações submetidas a variações de vazões afluentes. Os dados de um reator UASB em escala piloto - submetido a variações cíclicas de vazão afluente de 40 e 60% - foram empregados para calibrar e verificar o modelo matemático proposto. Os resultados encontrados com o modelo matemático proposto nesta pesquisa demonstraram que a variação de vazão afluente não deve ser negligenciada. O modelo utilizado representou adequadamente o reator UASB. Seus resultados, quando comparados aos modelos matemáticos que não consideram a variação de vazão, mostraram que para flutuações de vazão elevadas, vazões com valores até 60% maiores do que a vazão média, os valores dos coeficientes de difusão diferem significativamente em função das hipóteses empregadas no desenvolvimento do modelo matemático. / Mathematical models for hydrodynamic characteristics evaluation of reactors are commonly used however there is a lack of information in the literature concerning the application of mathematical modeling for non-steady state flow. In this thesis, it is presented a non-steady mathematical model to simulate the hydrodynamic behavior of pipe flow reactors with diffusion in order to evaluate the effect of the variation of the influent flowrate in the hydrodynamic parameters. The simulations were performed considering constant flowrate and volume, variable flowrate and volume and, variable flowrate and constant volume. It was investigated the influence of two types of stimulus-response assays, pulse and step function, on the application of mathematical models and the determination of the experimental retention time distribution curves. Theoretically, both tests should provide the same results although the pulse stimulus assay usually presents higher experimental sensitivity. As it was expected, both tests presented the same final results. The tested tracers were also evaluated in relation to the pulse and step stimulus-response tests. Three tracers were tested (bromocresol green, bromophenol blue and eosin Y) and it was shown that they provided different curves. It was studied the construction of the experimental retention time distribution curves using two procedures as an auxiliary tool for modeling. The proposed mathematical model was calibrated with data of bench scale reactors submitted to different cyclical variations of flowrates. Moreover, data of UASB reactor in pilot scale - submitted to 40 and 60% of cyclical variations of flowrates were utilized to calibrate and verify the obtained mathematical model. The results found with the mathematical model proposed in this research showed that the variations in influent flow rate can not be neglected. The model adequately represented a pilot scale UASB reactor. The results showed that the diffusion coefficients differ significantly for high flowrate fluctuations, when compared to other mathematical models that do not incorporate variable flowrate, depending upon the hypothesis used to derive the model.