Orientador: Carlos Raimundo Ferreira Grosso / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-22T17:05:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nogueira_GislaineFerreira_M.pdf: 14331604 bytes, checksum: 0299d24569a9a146c6085746fe878fed (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O objetivo deste trabalho foi produzir micropartículas com multicamadas contendo alto teor de proteínas, capazes de serem estáveis a condições adversas do meio e resistentes ao ambiente gástrico. Na primeira parte deste estudo, interações eletrostáticas entre o alginato e proteínas do concentrado proteico do soro do leite (WPC) foram avaliadas em relação às condições de pH (3,5 e 3,75) e proporções de polissacarídeo e proteína. A formação de coacervados com os biopolímeros alginato e WPC foi caracterizada quanto à aparência, tamanho médio e carga superficial. Esta análise permitiu definir as condições em que a interação entre proteínas e partículas de alginato pudesse ocorrer. Assim, micropartículas de alginato produzidas por gelificação iônica foram posteriormente recobertas por interação eletrostática com proteínas, utilizando soluções de diferentes concentrações de concentrado proteico do soro do leite, em dois pHs. Foram testadas três concentrações de proteína em solução para cada pH de recobrimento, sendo 0,6, 3 e 4% para o pH 3,5 e 1,7, 3 e 4% para o pH 3,75. As partículas obtidas foram caracterizadas com relação ao teor total de proteína, conteúdo de umidade, tamanho e morfologia. As maiores adsorções proteicas foram obtidas com a maior concentração de proteína em solução (4%) em ambos pHs. A partir deste estudo preliminar, selecionou-se a amostra de micropartículas com o maior teor de proteína adsorvida para se construir multicamadas em sua superfície através da interação eletrostática. Na segunda parte do estudo, foram produzidas multicamadas de alginato e proteínas do concentrado proteico do soro do leite sobre a superfície da partícula de alginato. Essas partículas foram caracterizadas igualmente as anteriores. A proteína total adsorvida na partícula foi alta, variou de 51,20% a 64,91%, sendo 33,24% dessa proteína encontrada na primeira camada (AlgPart1). Na terceira camada (AlgPart3), também foram encontradas elevados teores proteicos, variando de 17,96% a 31,67%. Uma relação proporcional entre a concentração de alginato e WPC com o aumento da adsorção proteica nesta camada foi observada. A formação das multicamadas (AlgPart1 e AlgPart3) sobre a superfície das partículas provocou uma diminuição significativa no teor de umidade das partículas (AlgPart), ao contrário do que foi observado com o tamanho. Observações realizadas por MEV revelaram que as camadas produzidas com alginato tendem a ter superfícies mais lisas, e com WPC, tendem a ser rugosas. A amostra de micropartículas com multicamadas que apresentou a maior adsorção proteica foi avaliada quanto à estabilidade em temperatura de esterilização (121 ºC, por 15 minutos),pH (2, 4, 6 e 8), concentração de sal (0, 50, 100, 150 e 200 mM) e em condições gastrointestinais (in vitro). Além disso, foram caracterizadas em relação ao tamanho médio, solubilidade proteica e morfologia. Partículas multicamadas úmidas permaneceram íntegras à temperatura de esterilização, apresentaram uma diminuição significativa de tamanho e um acréscimo significativo na solubilidade da camada proteica para o meio em pH 2, e permaneceram estáveis em pHs 4, 6 e 8. A perda de proteína das multicamadas da partícula aumentou significativamente com o aumento da força iônica do meio. As partículas com multicamadas se mostraram parcialmente resistentes às condições gástricas, com uma liberação de 30,5% da proteína presente na partícula e, foram sensíveis à atividade proteolítica em ambiente intestinal simulado promovendo a desintegração das multicamadas e a liberação de praticamente toda proteína da partícula. Considerando os resultados obtidos, conclui-se que é possível a formação de multicamadas de alginato e WPC sobre a superfície de partículas de gelificação iônica com alta adsorção proteica, capazes de serem estáveis em condições adversas do meio e parcialmente resistente às condições gástricas / Abstract: The objective of this work was to produce microparticles with multilayer containing high protein content, capable of being stable to harsh conditions of the environment and resistant to the gastric environment. In the first part of this study, the electrostatic interaction between the alginate and protein of concentrate whey protein (WPC) was evaluated in relation to pH conditions (3.5 and 3.75) and ratio of polysaccharide: protein. The formation of coacervates between the alginate and WPC was characterized as the visual appearance, medium size and surface charge. This analysis allowed us to define the conditions in which the interaction between proteins and alginate particles could occur. Thus alginate microparticles produced by ionic gelation were subsequently coated by electrostatic interaction with proteins, using solutions with different concentrations of whey protein at two pHs. Three concentrations were tested with respect to the protein concentration, being 0.6, 3 and 4% for pH 3.5 and 1.7, 3 and 4% for pH 3.75. The particles were characterized with respect to the total protein content, moisture content, size and morphology. The highest protein adsorption were obtained with the higher concentration of protein solution (4%) by both pH. From this preliminary study, we selected the particle with the highest level of protein adsorbed to construct multilayer using electrostatic interaction on its surface. In the second part of the study, were produced multilayers of alginate and WPC were produced on the surface of the particle of alginate. These particles were characterized in relation to protein adsorption, moisture content, medium size and morphology. The total protein adsorbed on the particle was high, varied from 51.20% to 64.91%, being 33.24% of this protein found in the first layer (AlgPart1). In the third layer (AlgPart3), were also found elevated protein levels, varying from 17.96% to 31.67%. A proportional relationship between the concentration of alginate and WPC with increased protein adsorption was observed in this layer. The formation of multilayers (AlgPart1 and AlgPart3) on the particle surface caused a significant decrease in moisture content of the particles (AlgPart), contrary to what was observed with the size. Observations made by SEM revealed that layers produced with alginate tend to have most smooth surfaces, and WPC tend to be rough. The particle multilayers that presented the highest protein adsorption was evaluated as to the stability at sterilization temperature (121 º C for 15 minutes), pH (2, 4, 6 and 8), salt concentration (0, 50, 100, 150 and 200 mM) and in gastrointestinal conditions. Furthermore were characterized with respect to medium size, protein solubility and morphology. Moist Multilayer particles have remained stable against the temperature of sterilization, showing a significant decrease in size and a significant increase in the solubility of the protein layer into the medium at pH 2, and remain stable at pH 4, 6 and 8. The loss of protein from multilayer particle increased as ionic strength increased. The particles with multilayer were partially resistant to gastric conditions, with a release of 30.49% of the protein in the particle, and were susceptible to proteolytic activity in simulated intestinal environment promoting the particle disintegration and the release of all protein recovering the particles. Considering the results obtained, it is concluded that it is possible the formation of multilayer alginate and WPC on the surface of particles obtained ionic gelation using high protein adsorption, capable of being stable in adverse conditions of the environment (temperature, pH, ionic strength) and resistant to gastric conditions / Mestrado / Consumo e Qualidade de Alimentos / Mestra em Alimentos e Nutrição

Orientador: Carlos Raimundo Ferreira Grosso / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-19T12:00:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rodrigues_JulianaBurger_M.pdf: 1839902 bytes, checksum: 0d3867db41bf2e89beac57f40237e09a (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Este estudo teve como objetivo produzir micropartículas por gelificação iônica associada à interação eletrostática, contendo constituintes nutricionalmente importantes para a alimentação de larvas de peixes. Na primeira parte deste estudo, foram desenvolvidas micropartículas por gelificação iônica, utilizando-se pectina e cloreto de cálcio para a formação das matrizes. O recheio das micropartículas era constituído de proteínas do soro de leite, na sua forma não-desnaturada ou desnaturada, e óleo de soja adicionado de oleoresina de páprica. Nas partículas em que o recheio era constituído somente de óleo, a proteína de soro de leite foi incluída por meio da interação eletrostática na superfície da micropartícula. Além disto, avaliou-se a influência do teor de cálcio e do grau de amidação da pectina na incorporação proteica, nos teores de umidade e na morfologia das micropartículas. As micropartículas produzidas por gelificação iônica, seguidas de recobrimento com proteínas do soro de leite (WPC) por interação eletrostática, foram as que apresentaram os melhores teores de umidade e proteína. Na segunda parte do estudo, partículas produzidas por gelificação iônica, utilizando pectina de baixo grau de esterificação amidada, foram recobertas com proteínas de soro de leite por interação eletrostática na tentativa de mimetizar a composição centesimal encontrada em náuplios de Artemia, alimento vivo comumente utilizado na criação intensiva de larvas de peixes. Após a produção, as partículas foram caracterizadas em relação à composição centesimal, tamanho médio e distribuição de tamanho, morfologia e comportamento de reidratação após secagem por liofilização. As matérias-primas utilizadas para a produção das partículas foram também caracterizadas quanto à composição centesimal e ao potencial zeta quando em solução. Adicionalmente, partículas otimizadas quanto à composição centesimal foram utilizadas em experimento de crescimento de larvas de pacu (Piaractus mesopotamicus). Lactobacillus acidophilus foram acrescentados a uma das dietas e seu efeito avaliado no experimento biológico. Os teores de proteína, lipídio e umidade das partículas foram semelhantes aos dos náuplios de Artemia, com valores médios de 50, 23 e 85%, respectivamente. Partículas apresentaram forma esférica quando úmidas ou reidratadas, com uma distribuição de tamanho de 75-619 µm e aglomeração após secagem. A reidratação das partículas secas foi instantânea, sem diferença de tamanho médio entre partículas úmidas ou reidratadas. O experimento biológico mostrou que as larvas alimentadas com as dietas experimentais não apresentaram crescimento quanto ao peso e tamanho, em relação aos resultados observados para as larvas alimentadas com os náuplios de Artemia ou para uma dieta comercial usada como controle. As dietas testadas, incluindo as experimentais, náuplios de Artemia e dieta microencapsulada comercial, apresentaram elevada taxa de ingestão (>90%). As taxas de sobrevivência obtidas foram de 83,6%, 43,6%, 30,7% e 34,5%, para larvas alimentadas com náuplios de Artemia, dieta microencapsulada comercial, dieta experimental contendo o probiótico e dieta experimental, respectivamente, após 28 dias de experimento. No teste de estresse provocado pela exposição ao ar, larvas que receberam a dieta contendo o probiótico por 21 dias apresentaram menor porcentagem de mortalidade quando comparado à dieta comercial, porém ainda superior à observada com larvas alimentadas com Artemia. A possível inadequação nutricional das dietas experimentais, a baixa quantidade mineral e vitamínica presentes nas dietas experimentais e a possível indisponibilidade de nutrientes devido à associação forte desses nutrientes com o polissacarídeo utilizado poderiam ter produzido as taxas de crescimento nulas obtidas, indicando a necessidade de novos experimentos / Abstract: The aim of this study was to produce microparticles by ionic gelation associated with electrostatic interaction containing important nutritionally constituents for fish larvae. In the first part of this study, microparticles were developed by pectin using ionic gelation and calcium chloride to form the matrices. The filling of the microparticles consisted of nondenatured or denatured whey proteins and soybean oil with paprika oleoresin. Filling particles consisting only of oil and whey protein was included through the electrostatic interaction on the surface of the microparticle. In addition, the influence of calcium and the amidation of pectin in the protein incorporation, moisture content and the morphology of the microparticles were evaluated. The microparticles produced by ionic gelation followed by coating with whey proteins (WPC) by electrostatic interaction were the ones that contained the best levels of moisture and protein. In the second part of the study, particles produced by ionic gelation using low methoxyl amidated pectin were coated with milk whey proteins by electrostatic interaction in an attempt to mimic the proximate composition found in Artemia, commonly used in the intensive rearing of fish larvae. The particles after production were characterized with respect to their chemical composition, average size and size distribution, morphology and rehydration behavior after freeze dried. The raw materials used for the production of particles were also characterized as its chemical composition and zeta potential in solution. Additionally, optimized particles as to chemical composition were used in an experiment of growth with larvae of Pacu (Piaractus mesopotamicus). Lactobacillus acidophilus has been added in one of the diets and its effect evaluated in this assay. The levels of protein, lipid and moisture of the particles were similar to those of Artemia, with mean values of 50, 23 and 85% respectively. Particles had spherical shape when wet or rehydrated with a size distribution from 75 to 619 mM and agglomeration after drying. Rehydration of the dry particles was instantaneous without difference in the average size between wet or rehydrated particles. The biological experiment showed that larvae fed the experimental diets showed no growth in weight and size, in relation to the results observed for larvae fed Artemia or with the commercial diet used as control. The diets tested, including the experimental diets, Artemia and the commercial diet showed a high rate of intake (> 90%). Survival rates were 83.6%, 43.6%, 30.7% and 34.5% for larvae fed with Artemia, commercial microencapsulated diet, experimental diet containing the probiotic and experimental diet, respectively, after 28 days of experiment. Larvae fed the diet containing the probiotic for 21 days showed a lower percentage of mortality in relation to the commercial diet, but still higher than that observed with larvae fed with Artemia. The possible nutritional inadequacy of the experimental diets, low ash content present in the experimental diets and possible lack of nutrients due to the strong association with the polysaccharide used in the diets may have produced low growth, indicating that more experiments are needed / Mestrado / Nutrição Experimental e Aplicada à Tecnologia de Alimentos / Mestre em Alimentos e Nutrição

Orientador: Carlos Raimundo Ferreira Grosso / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-19T20:01:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_FlaviaNoelide_M.pdf: 960857 bytes, checksum: 86bfea219b44c6fdc64e31d18b5491df (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O objetivo deste trabalho foi produzir micropartículas capazes de resistir ao ambiente gástrico e liberar o material encapsulado em ambiente intestinal. As partículas foram produzidas pela gelificação iônica da pectina de baixo teor de esterificação amidada com íons cálcio e posteriormente recobertas com proteínas utilizando soluções de diferentes concentrações de concentrado proteíco do soro do leite (WPC), submetidas ou não a tratamento térmico. A condição de adsorção das proteínas sobre a superfície das partículas de pectina foi definida a partir da análise da carga livre total das soluções de proteína e polissacarídeos e assim a definição de pH e a relação entre eles foi usada para produção das micropartículas. As micropartículas obtidas foram caracterizadas com relação a sua carga elétrica de forma a se obter as condições de pH e a relação de concentração de polissacarídeo : proteína em solução em que a interação eletrostática entre os biopolímeros fosse possível. Foram testados 5 níveis de proteína em soluções ( 2, 4, 6, 8 e 12%) associados a proteína sem tratamento térmico (STT) e tratada termicamente (TT), desnaturação a 80ºC por 15 minutos, sendo que as partículas obtidas foram caracterizadas com relação a morfologia, teor de proteína e conteúdo de umidade. A partir deste estudo preliminar foram selecionados dois tipos de partículas, uma partícula recoberta com proteína STT e outra partícula recoberta com proteína TT, utilizando como critério de seleção as soluções proteícas onde foram obtidas partículas com o maior teor de proteína adsorvida. As partículas selecionadas foram avaliadas com relação à resistência ao ambiente gástrico e capacidade de liberação do material encapsulado em ambiente intestinal, sendo que, para isso, as micropartículas foram submetidas a uma simulação das condições gastrointestinais in vitro, avaliando sua integridade nestas condições e quantificando-se o teor de proteína solubilizada em ambiente gástrico simulado. Também foi avaliada a estabilidade das partículas em diferentes pHs, tamanho médio, morfologia interna e externa e capacidade de reidratação pós liofilização. As concentrações de proteína em solução em que foram obtidos os mais altos valores de proteína adsorvida foram de 4 a 6%, com adsorção de 49,2 ± 1,0 % para partículas com WPC - STT e 27,6 ± 1,8% para solução de WPC - TT. Variações de tamanho das micropartículas após sua inserção em diferentes pHs assim como em suco gástrico artificial, foram de 224,8 µm a 342,9 µm. As partículas liofilizadas e reidratadas readquiriram forma e tamanho original após uma hora de inserção em água além de apresentarem estabilidade às variações de pH. As partículas permaneceram íntegras em ambiente gástrico e desintegraram-se em meio intestinal, entretanto durante a simulação das condições gástricas houve uma alta solubilização da proteína em suco gástrico quando o pH foi ajustado a 1,2 com a presença de pepsina, enquanto menor solubilização foi observada quando o pH do suco gástrico foi ajustado para 3, também em presença de pepsina / Abstract: The aim of this study was to produce microparticles able to resist the gastric environment and after releasing the encapsulated material in the gut environment. Particles were produced by ionic gellling using low methoxyl amidated pectin with calcium ions and coated with protein using solutions of different concentrations of whey protein concentrated (WPC), submitted or not submitted to thermal treatment. The condition of the protein adsorption on the surface of pectin particles was defined as the analysis of free charge total protein and polysaccharide solutions and thus defining the relationship between pH and ratio used for the production of particles. The particles obtained were characterized with to their electrical change so as to obtain conditions of pH and the concentration of polysaccharide to protein in solution in which the electrostatic interaction between the biopolymer possible. Five levels of protein in solution (2, 4, 6, 8 e 12%) associated with non-denatured (STT) and denatured (TT) protein in a water bath at 80°C for 15 minutes were tested, and the resulting particles were characterized with respect to their morphology, protein and moisture content. From this preliminary study were selected two types of particles, one particle with STT protein and another with TT protein, using as a standard the conditions of protein in solution which produced the highest level of protein adsorbed. The particles selected were evaluated with respect to resistance to the environment of the stomach and ability to release encapsulated material in intestinal environment, and for that, the microparticles were subjected to a simulated gastrointestinal conditions in vitro evaluating its integrity in these conditions and the protein solubilized in the simulated gastric environment quantified. The stability of the particles at different pHs, average size, internal and external morphology and capacity to rehydration after freeze drying were also evaluated. The concentration of protein in solution where the highest values of protein adsorbed was obtained was 4 ¿ 6%, with adsorption of 49.2 ± 1.0% for particles with WPC - STT and 27.6 ± 1.8 % for the solution contained WPC - TT. The size of the microparticles after their insertion at different pHs as well as in artificial gastric juice, ranging from 224,8 µm to 342,9. The microparticles freeze dried and rehydrated regained the shape and original size after one hour of insertion in water and were stable against changes in pH. The particles remained intact in the environment of the stomach and disintegrated at the intestinal environment, however during the simulation of gastric conditions the was a high concentration of protein in gastric juice while the pH was adjusted to 1.2 with the presence of pepsin while smaller solubilization was observed then the pH of gastric juice was adjusted to 3, also in the presence pepsin / Mestrado / Nutrição Experimental e Aplicada à Tecnologia de Alimentos / Mestre em Alimentos e Nutrição

Fundação de Amparo a Pesquisa no Estado do Rio Grande do Sul / The increasing industrial development results in a large consumption of products and materials. Among them, stand out the polymeric materials, due to their versatility and low cost, and electrical and electronic equipment (EEE), such as mobile phones and their batteries. In this scenario, an efficient and environmentally friendly recycling technology has a great importance. Therefore, this study presents an alternative to the mechanical recycling of these wastes. The separation of the polymeric mixtures was performed using the triboelectrostatic separation process. The components of lithium-ion batteries were recovered by a corona electrostatic separation process. In polymeric waste processing, the methodology employed was the characterization, washing, drying, comminution, secondary washing, secondary drying, tribocharging and electrostatic separation of the different polymeric blends (HDPE / PP, LDPE / PP and PET / PVC). The variables studied were the tribocharging mechanism, the relative humidity, the tribocharging residence time, the angle of the deflector, the distance of the static electrode, the electrode voltage and the rotation of the roll. In lithium ion batteries waste processing, the methodology employed was the characterization, comminution, drying, particle size separation and electrostatic separation. The selected parameters were the electrodes voltage, cylinder rotation, the distance of the static electrode and the angle of the deflector of the collector. For the polymeric waste processing the best results were: low relative humidity, tribocharging residence time of 5 minutes, angle of the deflector of 2.5 °, the distance of the static electrode of 3 cm, voltage of 30 kV and speed rotation 10 rpm. With these parameters, was obtained the recovery of 92.8% of PP (purity of 95.7%) and 95.9% of HDPE (purity of 93.1%). In the separation of PP and LDPE, was obtained a PP recovery of 90.2% (purity 93.8%) and a LDPE recovery of 94.2% (purity of 90.8%). Also, was achieved a recovery of 96.8% of PET (purity of 95.9%), and recovery of 95.9% for PVC (purity of 96.8%). For lithium ion batteries waste processing the best conditions were: rotation speed of 20 rpm, voltage of 25 kV, distance of the static electrode 6 cm and angle of the deflector 0 °. Through this process, was obtained a conductive fraction with 98.98% of metals content and a nonconductive fraction with 99.6% of polymer. The characterization of the batteries showed the batteries heterogeneity, being the electrostatic separation efficient to the different models tested. Therefore, the application of electrostatic separation is a promising method and efficient to recycling of polymer waste and lithium ion batteries waste. The studied process enabled a significant recovery of the components with a high purity. / O crescente desenvolvimento industrial acarreta em um grande consumo de produtos e materiais. Entre eles, destacam-se os materiais poliméricos, devido à sua versatilidade e baixo custo, e os equipamentos elétricos e eletrônicos (EEE), tais como os telefones celulares e suas baterias. Nesse cenário, tecnologias de reciclagem eficientes e ambientalmente aceitáveis tem uma grande importância. Diante disso, o presente trabalho apresenta uma alternativa para a reciclagem mecânica destes diferentes resíduos. A separação das misturas poliméricas foi realizada através do processo de separação triboeletrostática. Já os diferentes componentes das baterias de íon de lítio foram recuperados por um processo de separação eletrostática por efeito corona. No processamento dos resíduos poliméricos, a metodologia empregada consistiu na caracterização, lavagem, cominuição, lavagem e secagem secundária, tribocarregamento e separação eletrostática das diferentes misturas poliméricas (PEAD/PP, PEBD/PP e PET/PVC). As variáveis estudadas foram o mecanismo de tribocarregamento, a umidade relativa do ar, tempo de tribocarregamento, ângulo do defletor, distância do eletrodo de atração, tensão dos eletrodos e a rotação do rolo. No processamento das baterias de íon de lítio, realizaram-se a caracterização das baterias, cominuição, secagem, separação granulométrica e separação eletrostática. Os parâmetros selecionados foram a tensão dos eletrodos, rotação do rolo, distância do eletrodo de atração e o ângulo do defletor do coletor. Para o processamento dos resíduos poliméricos os melhores resultados foram: umidade relativa do ar de ± 42%, tempo de tribocarregamento de 5 minutos, ângulo do defletor de 2,5°, distância do eletrodo de atração de 3 cm, tensão de 30 kV e velocidade de rotação de 10 rpm. Com esses parâmetros, obteve-se a recuperação de 92,8% de PP (pureza de 95,7%) e 95,9% de PEAD (pureza de 93,1%). Na separação de PP e PEBD, obteve-se uma recuperação de PP de 90,2% (pureza de 93,8%), e uma recuperação de PEBD de 94,2% (pureza de 90,8%). Também, conseguiu-se uma recuperação de 96,8% de PET (pureza de 95,9%), e de 95,9% de PVC (pureza de 96,8%). Para a reciclagem de baterias de íon de lítio as melhores condições foram: velocidade de rotação de 20 rpm, tensão de 25 kV, distância do eletrodo de atração de 6 cm e ângulo do defletor de 0°. Através deste processamento, obteve-se uma fração condutora com 98,98% de metais e uma fração não condutora com 99,6% de polímeros. A caracterização das baterias demonstrou uma heterogeneidade desse tipo de resíduo, sendo o processo de separação eletrostática eficiente para os diferentes modelos testados. Sendo assim, a aplicação da separação eletrostática se mostrou um método eficiente e promissor para a reciclagem de resíduos poliméricos e de resíduos de baterias de íon de lítio. O processo estudado possibilitou a obtenção de uma expressiva recuperação dos componentes com uma alta pureza.

O Texas Helimak é uma máquina toroidal de confinamento de plasma cujas linhas de campo magnético têm forma helicoidal e no qual parâmetros do plasma (como a densidade e a temperatura) são similares aos da borda e da região externa (scrape-off-layer) de um tokamak. Nesta tese foram analisados o equilíbrio e as flutuações do plasma no Texas Helimak. São apresentadas a análise e a interpretação do controle da turbulência eletrostática e do transporte turbulento de partículas pelo potencial elétrico, bias, aplicado externamente. As alterações na turbulência e no transporte causadas pela mudança do potencial elétrico externo foram investigadas em uma região do plasma com gradientes radiais uniformes. As flutuações em descargas com bias positivo ou nulo apresentam espectros de potência de banda larga e uma PDF com uma cauda acentuada que revela a ocorrência intermitente de eventos extremos. Por outro lado, as flutuações em descargas com bias negativo possuem um espectro de potência mais estreito, uma PDF mais Gaussiana e um diagrama de recorrência com mais estruturas. Um modelo de quatro ondas acopladas foi utilizado para relacionar a largura de banda da turbulência com o tempo de interação entre as ondas do modelo. Perfis radiais do transporte turbulento de partículas na direção radial foram calculados, como função do bias, e comparados com os perfis da velocidade do fluxo de plasma e seu cisalhamento. Foi mostrado que o transporte depende do perfil radial da velocidade de fluxo do plasma. Nas descargas em que essa velocidade apresenta um ponto de máximo em seu perfil radial, o perfil do transporte possui um mínimo que foi interpretado, utilizando um modelo Hamiltoniano de ondas de deriva, como sendo resultado de uma barreira de transporte onde o cisalhamento do fluxo é nulo. Em outras descargas, máximos no perfil radial do transporte foram relacionados a ressonâncias que ocorrem onde a velocidade de fase da onda é igual à velocidade do plasma. / The Texas Helimak is a toroidal confinement of plasma device with helically magnetic field lines and which plasma parameters (like the density and temperature) are similar to the edge and the scrape-off-layer of a tokamak. This thesis analyzed the equilibrium and fluctuations in the Helimak Texas plasma. We present the analysis and interpretation of electrostatic control of turbulence and turbulent particle transport by electrical potential, bias, applied externally. Changes in transport and turbulence caused by the change of external electric potential were investigated in a region of uniform radial gradients plasma. Fluctuations in discharges with positive or zero bias have broadband power spectra and a PDF with an accentuated tail that reveals the intermittent occurrence of extreme events. Moreover, fluctuations in discharges with negative bias have narrow power spectra, a more Gaussian PDF and more structures in the recurrence diagram. A four coupled wave model was used to relate the bandwidth of turbulence with the interaction time between the waves in the model. Radial profiles of turbulent transport of particles in the radial direction were calculated as a function of bias and compared to the profiles of the plasma flow velocity and its shear. It was shown that the transport depends on the radial profile of the plasma flow velocity. In that discharges where the velocity radial profile presents a point of maximum, the transport profile has a minimum which was interpreted, using a drift wave model Hamiltonian, as a result of a shearless flow transport barrier. In other discharges, the maxima in the transport radial profiles were related with resonances that occur where the wave phase velocity is equal to the plasma velocity.

Dispersões coloidais estão presentes em muitas aplicações industriais e biológicas, tais como indústria de alimentos, cosméticos, produtos farmacêuticos e nanoestruturas. Devido a efeitos entrópicos, macromoléculas, quando imersas em uma solução de partículas pequenas, tendem a se aglomerar. Para evitar este fenômeno, cargas são adicionadas à superfície do colóide. Conseqüentemente, para manter o sistema neutro, a solução contém uma série de pequenos contraíons que neutralizam a carga do colóide. A inclusão de cargas pode evitar a aglomeração dos colóides, mas incorpora ao problema uma série de novos efeitos de natureza eletrostática. Todos estes efeitos, bem como o comportamento termodinâmico do sistema, no entanto, podem ser compreendidos analisando-se a distribuição de contraíons ao redor do colóide. Uma teoria muito simples que fornece esta distribuição de contraíons é a teoria de Poisson Boltzmann, na qual os contraíons são partículas pontuais e as interações eletrostáticas entre os íons são obtidas via potencial médio criado por todos os íons sobre um determinado contraíon, desconsiderando, desta forma, as correlações. Nesta tese respondemos à pergunta: quando correlações eletrostáticas e de tamanho são relevantes? Propusemos que correlações eletrostáticas são relevantes quando as interações eletrostáticas entre íos superam os efeitos entrópicos, ou seja, quando o parâmetro de plasma está acima de um certo limiar, G2d > 2. Sugerimos, também, que o tamanho dos íons torna-se relevante quando a fração de volume dos contraíons na superfície do colóide está acima de um limiar, ou seja, fs > 0,2. As duas propostas são testadas comparando-se os resultados obtidos via teoria de Poisson Boltzmann com os resultados provenientes de simulações. Em seguida, empregamos a teoria de Debye-Hückel Buraco Cavidade para incorporar correlações eletrostáticas. Comparamos os resultados obtidos via esta teoria com os resultados de simulações. Mostramos que a incorporação dos efeitos de correlações eletrostáticas resultam em um maior número de contraíos próximos à superfície do macroíon do que o observado via teoria de Poisson Boltzmann. Depois, introduzimos duas teorias de funcionais de densidade ponderada que incluem efeitos de correlações de tamanho: funcional de densidade ponderada com um peso baseado na teoria Debye-Hückel Buraco Cavidade e uma funcional de densidade ponderada com um peso constante. Comparamos os resultados obtidos através destas duas teorias com simulações, e observamos que a segunda teoria apresenta uma melhor concordância com as simulações. De maneira geral, as correlações de tamanho deixam os íons mais afastados do colóide do que o predito via teoria de Poisson Boltzmann. Finalmente, propusemos uma combinação da teoria Debye-Hückel-Buraco-Cavidade e funcional de densidade ponderada com um peso constante para tratar de problemas onde tanto correlações eletrostáticas como de tamanho se façam presentes. Observamos que para G2d < 2 e fs < 0,2 a teoria mista fornece os mesmos resultados que a teoria de Poisson Boltzmann; para G2d > 2 e fs < 0,2 a teoria mista fornece os mesmos resultados que a teoria Debye-Hückel-Buraco-Cavidade, pois somente correlações eletrostáticas são relevantes; para G2d < 2 e fs > 0,2 a teoria mista oferece o mesmo resultado que a teoria funcional de densidade ponderada com um peso constante; para G2d ≈ 2 e fs ≈ 0,2 ocorre uma compensação entre efeitos e a teoria mista fornece o mesmo resultado que a teoria de Poisson Boltzmann. Para G2d > 2 and fs > 0,2 efeitos de tamanho dominam e a teoria mista oferece os mesmos resultados que a teoria da funcional de densidade ponderada com umpeso constante. / Colloidal dispersions are present in many industrial and biological applications going from food, cosmetics, pharmaceutical and nanostructures. Due to entropic effects the large macromolecules in a solvent made of small particles, agglomerate. In order to avoid this effect, charged groups are added to the colloidal surface. Consequently in order to keep the charge neutrality the solution is full of counterions. The addition of charges might stop agglomeration but adds a number of new phenomena that are deeply related to the distribution of the counterions around the macroion. One simple theory that describes this distribution is the Poisson Boltzmann approach in which the counterions are assumed to be point ions and where the electrostatic interactions between the counterions are taken into account as the average field on a singel ions, ignoring correlations. In this thesis we address the question; when does electrostatic correlations and the size of the counterions are relevant? We propose that electrostatic correlations are relevant when the electrostatic interactions between the ions are bigger than the entropic effects. This assumption can be expressed by the plasma parameter being above a certain threshold, G2d > 2. We also propose that the size of the counterions become relevant when the volume fraction of ions at the surface of the colloid is above a certain threshold fs > 0.2. This two propositions are tested comparing results obtained with the PB theory with simulations. We then propose a theory to take into account the electrostatic correlations, the Debye-Hückel-Hole-Cavity and test this approach with simulations. The electrostatic correlation leads to more ions close to the colloid than the Poisson Boltzmann predicts. Next, we present two different approaches to account for size effects, the Weight Density Approximation based in the Debye-Hückel-Hole-Cavity theory and the Weight Density Approximation based in a constant weight. Comparison with simulations show that the second approach gives a better agreement. The size correlations leads to less ions close to the colloid than the Poisson Boltzmann approach predicts. Finally we propose a combination of the Debye-Hückel-Hole-Cavity and the Weight Density Approximation based in a constant weight to be the theory able to take into account both electrostatic and size correlations. Our result shows that for G2d <2 and fs <0.2 electrostatic and size correlations are irrelevant so Poisson Boltzmann is a good approach; for G2d > 2 and fs < 0.2 electrostatic correlations dominates and Debye-Hückel-Hole-Cavity gives a good approach; G2d < 2 and fs > 0.2 the Weight Density Approximation based in a constant weight gives the correct behavior; for G2d ≈ 2 and fs ≈ 0.2 the electrostatic correlation effects cancel the size effects and Poisson Boltzmann gives a good approximation. For G2d > 2 and fs > 0.2 size effects dominate.

Dispersões coloidais estão presentes em muitas aplicações industriais e biológicas, tais como indústria de alimentos, cosméticos, produtos farmacêuticos e nanoestruturas. Devido a efeitos entrópicos, macromoléculas, quando imersas em uma solução de partículas pequenas, tendem a se aglomerar. Para evitar este fenômeno, cargas são adicionadas à superfície do colóide. Conseqüentemente, para manter o sistema neutro, a solução contém uma série de pequenos contraíons que neutralizam a carga do colóide. A inclusão de cargas pode evitar a aglomeração dos colóides, mas incorpora ao problema uma série de novos efeitos de natureza eletrostática. Todos estes efeitos, bem como o comportamento termodinâmico do sistema, no entanto, podem ser compreendidos analisando-se a distribuição de contraíons ao redor do colóide. Uma teoria muito simples que fornece esta distribuição de contraíons é a teoria de Poisson Boltzmann, na qual os contraíons são partículas pontuais e as interações eletrostáticas entre os íons são obtidas via potencial médio criado por todos os íons sobre um determinado contraíon, desconsiderando, desta forma, as correlações. Nesta tese respondemos à pergunta: quando correlações eletrostáticas e de tamanho são relevantes? Propusemos que correlações eletrostáticas são relevantes quando as interações eletrostáticas entre íos superam os efeitos entrópicos, ou seja, quando o parâmetro de plasma está acima de um certo limiar, G2d > 2. Sugerimos, também, que o tamanho dos íons torna-se relevante quando a fração de volume dos contraíons na superfície do colóide está acima de um limiar, ou seja, fs > 0,2. As duas propostas são testadas comparando-se os resultados obtidos via teoria de Poisson Boltzmann com os resultados provenientes de simulações. Em seguida, empregamos a teoria de Debye-Hückel Buraco Cavidade para incorporar correlações eletrostáticas. Comparamos os resultados obtidos via esta teoria com os resultados de simulações. Mostramos que a incorporação dos efeitos de correlações eletrostáticas resultam em um maior número de contraíos próximos à superfície do macroíon do que o observado via teoria de Poisson Boltzmann. Depois, introduzimos duas teorias de funcionais de densidade ponderada que incluem efeitos de correlações de tamanho: funcional de densidade ponderada com um peso baseado na teoria Debye-Hückel Buraco Cavidade e uma funcional de densidade ponderada com um peso constante. Comparamos os resultados obtidos através destas duas teorias com simulações, e observamos que a segunda teoria apresenta uma melhor concordância com as simulações. De maneira geral, as correlações de tamanho deixam os íons mais afastados do colóide do que o predito via teoria de Poisson Boltzmann. Finalmente, propusemos uma combinação da teoria Debye-Hückel-Buraco-Cavidade e funcional de densidade ponderada com um peso constante para tratar de problemas onde tanto correlações eletrostáticas como de tamanho se façam presentes. Observamos que para G2d < 2 e fs < 0,2 a teoria mista fornece os mesmos resultados que a teoria de Poisson Boltzmann; para G2d > 2 e fs < 0,2 a teoria mista fornece os mesmos resultados que a teoria Debye-Hückel-Buraco-Cavidade, pois somente correlações eletrostáticas são relevantes; para G2d < 2 e fs > 0,2 a teoria mista oferece o mesmo resultado que a teoria funcional de densidade ponderada com um peso constante; para G2d ≈ 2 e fs ≈ 0,2 ocorre uma compensação entre efeitos e a teoria mista fornece o mesmo resultado que a teoria de Poisson Boltzmann. Para G2d > 2 and fs > 0,2 efeitos de tamanho dominam e a teoria mista oferece os mesmos resultados que a teoria da funcional de densidade ponderada com umpeso constante. / Colloidal dispersions are present in many industrial and biological applications going from food, cosmetics, pharmaceutical and nanostructures. Due to entropic effects the large macromolecules in a solvent made of small particles, agglomerate. In order to avoid this effect, charged groups are added to the colloidal surface. Consequently in order to keep the charge neutrality the solution is full of counterions. The addition of charges might stop agglomeration but adds a number of new phenomena that are deeply related to the distribution of the counterions around the macroion. One simple theory that describes this distribution is the Poisson Boltzmann approach in which the counterions are assumed to be point ions and where the electrostatic interactions between the counterions are taken into account as the average field on a singel ions, ignoring correlations. In this thesis we address the question; when does electrostatic correlations and the size of the counterions are relevant? We propose that electrostatic correlations are relevant when the electrostatic interactions between the ions are bigger than the entropic effects. This assumption can be expressed by the plasma parameter being above a certain threshold, G2d > 2. We also propose that the size of the counterions become relevant when the volume fraction of ions at the surface of the colloid is above a certain threshold fs > 0.2. This two propositions are tested comparing results obtained with the PB theory with simulations. We then propose a theory to take into account the electrostatic correlations, the Debye-Hückel-Hole-Cavity and test this approach with simulations. The electrostatic correlation leads to more ions close to the colloid than the Poisson Boltzmann predicts. Next, we present two different approaches to account for size effects, the Weight Density Approximation based in the Debye-Hückel-Hole-Cavity theory and the Weight Density Approximation based in a constant weight. Comparison with simulations show that the second approach gives a better agreement. The size correlations leads to less ions close to the colloid than the Poisson Boltzmann approach predicts. Finally we propose a combination of the Debye-Hückel-Hole-Cavity and the Weight Density Approximation based in a constant weight to be the theory able to take into account both electrostatic and size correlations. Our result shows that for G2d <2 and fs <0.2 electrostatic and size correlations are irrelevant so Poisson Boltzmann is a good approach; for G2d > 2 and fs < 0.2 electrostatic correlations dominates and Debye-Hückel-Hole-Cavity gives a good approach; G2d < 2 and fs > 0.2 the Weight Density Approximation based in a constant weight gives the correct behavior; for G2d ≈ 2 and fs ≈ 0.2 the electrostatic correlation effects cancel the size effects and Poisson Boltzmann gives a good approximation. For G2d > 2 and fs > 0.2 size effects dominate.

Submitted by Daniel Lucas Zago Caetano (daniel.caetano@sjrp.unesp.br) on 2017-09-29T00:38:30Z No. of bitstreams: 1 caetano_dlz_dr_sjrp.pdf: 13957655 bytes, checksum: 5b96587e7372ab57b53df4f703a1de39 (MD5) / Approved for entry into archive by Monique Sasaki (sayumi_sasaki@hotmail.com) on 2017-09-29T18:31:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 caetano_dlz_dr_sjrp.pdf: 13957655 bytes, checksum: 5b96587e7372ab57b53df4f703a1de39 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-29T18:31:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 caetano_dlz_dr_sjrp.pdf: 13957655 bytes, checksum: 5b96587e7372ab57b53df4f703a1de39 (MD5) Previous issue date: 2017-09-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Este trabalho tem por objetivo estudar, por meio de simulações computacionais baseadas no método de Monte Carlo, interações eletrostáticas em superfícies e macromoléculas. Na primeira parte deste estudo é abordada a interação entre polieletrólitos, mais especificamente, homopolímeros e copolímeros em bloco suscetíveis à variações de pH, e macromoléculas com distribuição helicoidal de carga compatível com a encontrada em polinucleotídeos. A macromolécula foi representada por um cilindro rígido infinito que simula a parte central do DNA/RNA, totalmente inacessível ao polieletrólito. Visando simular os sulcos do DNA, duas esferas completam o modelo: uma localizada na posição dos grupos fosfato (esfera externa) e outra localizada entre a esfera externa e o cilindro (esfera interna). A distribuição de carga da macromolécula é dada por um conjunto de cargas negativas monovalentes centradas nas esferas externas. O polieletrólito foi representado por uma cadeia de N esferas rígidas carregadas, conectadas por um potencial harmônico e com um valor de pKa específico. A solução eletrolítica foi tratada pela teoria de Debye-Hückel. Os efeitos do pH, da concentração de sal, da estrutura primária e da rigidez da cadeia polimérica e da distribuição de carga da macromolécula sobre as propriedades conformacionais e físico-químicas da cadeia adsorvida foram calculados. Verificou-se que a presença da macromolécula modifica as propriedades ácido/base do polieletrólito e que o efeito de regulação de carga afeta o processo de adsorção/dessorção. Além disso, constatou-se uma dependência entre as conformações adotadas pelo polieletrólito na superfície da macromolécula e a concentração de sal da solução. Na segunda parte deste trabalho é investigada a influência das interações de hidratação sobre a capacitância diferencial da dupla camada elétrica por meio de simulações de Monte Carlo e por modelos teóricos baseados na aproximação de Campo Médio. Um eletrodo plano e carregado foi inserido em uma solução eletrolítica constituída por íons monovalentes e com concentração próxima às condições fisiológicas. As interações de hidratação foram descritas por meio de potenciais de Yukawa, as quais foram adicionadas às interações de Coulomb e de volume excluído entre os íons e entre os íons e o eletrodo. O modelo de Campo Médio proposto não só inclui interações de hidratação aos pares ânion-ânion, ânion-cátion e cátion-cátion de intensidades arbitrárias, mas também leva em consideração o tamanho finito dos íons por meio de duas abordagens distintas: i) equação de estado de Carnahan-Starling; e ii) modelo de rede. A capacitância diferencial obtida não só pelas simulações de Monte Carlo, mas também pelas aproximações de Campo Médio, apresenta o característico pico duplo, usualmente denominado de camel-shape, no qual seu decaimento reflete o empacotamento dos contraíons nas proximidades do eletrodo. Verificou-se também que a presença das interações de hidratação entre os íons e entre o eletrodo e os íons promove o surgimento de uma pequena região de depleção de carga nas proximidades do eletrodo, similar à camada de Stern. / This work aims to analyze electrostatic interactions on surfaces and macromolecules through the use of computational simulations based on the Monte Carlo method. In the first part of this study, we discuss the interaction between polyelectrolytes – more specifically homopolymers and block-copolymers which are susceptible to variations in pH – and macromolecules with helical charge distribution compatible with that found in polynucleotides. The macromolecule was represented by an infinite rigid cylinder, which mimics the central core of RNA/DNA, totally inaccessible to the polyelectrolyte. In order to simulate DNA grooves, two additional spheres complete the model: one being centered at the position of the phosphate groups (outer sphere) and the other being located between the outer sphere and the cylinder (inner sphere). The charge distribution of the macromolecule is given by a helical set of monovalent negative charges centered at the outer spheres. The polyelectrolyte was represented by a chain with charged hard spheres connected by harmonic bonds and presenting a specific pKa value. The electrolyte solution was treated at the Debye-Hückel level. The effects of pH, salt concentration, primary structure and stiffness of the polymer chain on the conformational and physicochemical properties of the adsorbed chain were investigated. Results show that the presence of the macromolecule modifies the acid/base properties of the polyelectrolyte and that the effect of charge regulation affects the adsorption/desorption process. Furthermore, a dependence between the conformations adopted by the polyelectrolyte on the surface of the macromolecule and the salt concentration of the solution was also observed. In the second part of this study, we investigated the influence of hydration interactions on the differential capacitance of an electric double layer by means of Monte Carlo simulations and by theoretical models based on mean-field approximation. A charged planar electrode was inserted in an electrolyte solution composed of monovalent ions and with concentration close to that found at physiological conditions. The hydration interactions were modeled through Yukawa potentials, which were added to Coulomb and excluded volume interactions among the ions and between the ions and the electrode. The proposed mean-field model not only include hydration interactions to the cation-cation, anion-anion and cationanion pairs, but also take into account the finite size of the ions through two distinct approaches: i) the Carnahan-Starling equation of state, and ii) the lattice gas model. We found that both our Monte Carlo simulations and mean-field approaches predict a characteristic double-peak (the so-called camel shape) of the differential capacitance, where its decrease reflects the packing of the counterions near the electrode. We also found that the presence of hydration interactions among the ions and between the ions and the electrode promotes the emergence of a small region of charge depletion near the electrode, similar to the Stern layer. / FAPESP: 2013/13151-7

O Texas Helimak é uma máquina toroidal de confinamento de plasma cujas linhas de campo magnético têm forma helicoidal e no qual parâmetros do plasma (como a densidade e a temperatura) são similares aos da borda e da região externa (scrape-off-layer) de um tokamak. Nesta tese foram analisados o equilíbrio e as flutuações do plasma no Texas Helimak. São apresentadas a análise e a interpretação do controle da turbulência eletrostática e do transporte turbulento de partículas pelo potencial elétrico, bias, aplicado externamente. As alterações na turbulência e no transporte causadas pela mudança do potencial elétrico externo foram investigadas em uma região do plasma com gradientes radiais uniformes. As flutuações em descargas com bias positivo ou nulo apresentam espectros de potência de banda larga e uma PDF com uma cauda acentuada que revela a ocorrência intermitente de eventos extremos. Por outro lado, as flutuações em descargas com bias negativo possuem um espectro de potência mais estreito, uma PDF mais Gaussiana e um diagrama de recorrência com mais estruturas. Um modelo de quatro ondas acopladas foi utilizado para relacionar a largura de banda da turbulência com o tempo de interação entre as ondas do modelo. Perfis radiais do transporte turbulento de partículas na direção radial foram calculados, como função do bias, e comparados com os perfis da velocidade do fluxo de plasma e seu cisalhamento. Foi mostrado que o transporte depende do perfil radial da velocidade de fluxo do plasma. Nas descargas em que essa velocidade apresenta um ponto de máximo em seu perfil radial, o perfil do transporte possui um mínimo que foi interpretado, utilizando um modelo Hamiltoniano de ondas de deriva, como sendo resultado de uma barreira de transporte onde o cisalhamento do fluxo é nulo. Em outras descargas, máximos no perfil radial do transporte foram relacionados a ressonâncias que ocorrem onde a velocidade de fase da onda é igual à velocidade do plasma. / The Texas Helimak is a toroidal confinement of plasma device with helically magnetic field lines and which plasma parameters (like the density and temperature) are similar to the edge and the scrape-off-layer of a tokamak. This thesis analyzed the equilibrium and fluctuations in the Helimak Texas plasma. We present the analysis and interpretation of electrostatic control of turbulence and turbulent particle transport by electrical potential, bias, applied externally. Changes in transport and turbulence caused by the change of external electric potential were investigated in a region of uniform radial gradients plasma. Fluctuations in discharges with positive or zero bias have broadband power spectra and a PDF with an accentuated tail that reveals the intermittent occurrence of extreme events. Moreover, fluctuations in discharges with negative bias have narrow power spectra, a more Gaussian PDF and more structures in the recurrence diagram. A four coupled wave model was used to relate the bandwidth of turbulence with the interaction time between the waves in the model. Radial profiles of turbulent transport of particles in the radial direction were calculated as a function of bias and compared to the profiles of the plasma flow velocity and its shear. It was shown that the transport depends on the radial profile of the plasma flow velocity. In that discharges where the velocity radial profile presents a point of maximum, the transport profile has a minimum which was interpreted, using a drift wave model Hamiltonian, as a result of a shearless flow transport barrier. In other discharges, the maxima in the transport radial profiles were related with resonances that occur where the wave phase velocity is equal to the plasma velocity.

Dispersões coloidais estão presentes em muitas aplicações industriais e biológicas, tais como indústria de alimentos, cosméticos, produtos farmacêuticos e nanoestruturas. Devido a efeitos entrópicos, macromoléculas, quando imersas em uma solução de partículas pequenas, tendem a se aglomerar. Para evitar este fenômeno, cargas são adicionadas à superfície do colóide. Conseqüentemente, para manter o sistema neutro, a solução contém uma série de pequenos contraíons que neutralizam a carga do colóide. A inclusão de cargas pode evitar a aglomeração dos colóides, mas incorpora ao problema uma série de novos efeitos de natureza eletrostática. Todos estes efeitos, bem como o comportamento termodinâmico do sistema, no entanto, podem ser compreendidos analisando-se a distribuição de contraíons ao redor do colóide. Uma teoria muito simples que fornece esta distribuição de contraíons é a teoria de Poisson Boltzmann, na qual os contraíons são partículas pontuais e as interações eletrostáticas entre os íons são obtidas via potencial médio criado por todos os íons sobre um determinado contraíon, desconsiderando, desta forma, as correlações. Nesta tese respondemos à pergunta: quando correlações eletrostáticas e de tamanho são relevantes? Propusemos que correlações eletrostáticas são relevantes quando as interações eletrostáticas entre íos superam os efeitos entrópicos, ou seja, quando o parâmetro de plasma está acima de um certo limiar, G2d > 2. Sugerimos, também, que o tamanho dos íons torna-se relevante quando a fração de volume dos contraíons na superfície do colóide está acima de um limiar, ou seja, fs > 0,2. As duas propostas são testadas comparando-se os resultados obtidos via teoria de Poisson Boltzmann com os resultados provenientes de simulações. Em seguida, empregamos a teoria de Debye-Hückel Buraco Cavidade para incorporar correlações eletrostáticas. Comparamos os resultados obtidos via esta teoria com os resultados de simulações. Mostramos que a incorporação dos efeitos de correlações eletrostáticas resultam em um maior número de contraíos próximos à superfície do macroíon do que o observado via teoria de Poisson Boltzmann. Depois, introduzimos duas teorias de funcionais de densidade ponderada que incluem efeitos de correlações de tamanho: funcional de densidade ponderada com um peso baseado na teoria Debye-Hückel Buraco Cavidade e uma funcional de densidade ponderada com um peso constante. Comparamos os resultados obtidos através destas duas teorias com simulações, e observamos que a segunda teoria apresenta uma melhor concordância com as simulações. De maneira geral, as correlações de tamanho deixam os íons mais afastados do colóide do que o predito via teoria de Poisson Boltzmann. Finalmente, propusemos uma combinação da teoria Debye-Hückel-Buraco-Cavidade e funcional de densidade ponderada com um peso constante para tratar de problemas onde tanto correlações eletrostáticas como de tamanho se façam presentes. Observamos que para G2d < 2 e fs < 0,2 a teoria mista fornece os mesmos resultados que a teoria de Poisson Boltzmann; para G2d > 2 e fs < 0,2 a teoria mista fornece os mesmos resultados que a teoria Debye-Hückel-Buraco-Cavidade, pois somente correlações eletrostáticas são relevantes; para G2d < 2 e fs > 0,2 a teoria mista oferece o mesmo resultado que a teoria funcional de densidade ponderada com um peso constante; para G2d ≈ 2 e fs ≈ 0,2 ocorre uma compensação entre efeitos e a teoria mista fornece o mesmo resultado que a teoria de Poisson Boltzmann. Para G2d > 2 and fs > 0,2 efeitos de tamanho dominam e a teoria mista oferece os mesmos resultados que a teoria da funcional de densidade ponderada com umpeso constante. / Colloidal dispersions are present in many industrial and biological applications going from food, cosmetics, pharmaceutical and nanostructures. Due to entropic effects the large macromolecules in a solvent made of small particles, agglomerate. In order to avoid this effect, charged groups are added to the colloidal surface. Consequently in order to keep the charge neutrality the solution is full of counterions. The addition of charges might stop agglomeration but adds a number of new phenomena that are deeply related to the distribution of the counterions around the macroion. One simple theory that describes this distribution is the Poisson Boltzmann approach in which the counterions are assumed to be point ions and where the electrostatic interactions between the counterions are taken into account as the average field on a singel ions, ignoring correlations. In this thesis we address the question; when does electrostatic correlations and the size of the counterions are relevant? We propose that electrostatic correlations are relevant when the electrostatic interactions between the ions are bigger than the entropic effects. This assumption can be expressed by the plasma parameter being above a certain threshold, G2d > 2. We also propose that the size of the counterions become relevant when the volume fraction of ions at the surface of the colloid is above a certain threshold fs > 0.2. This two propositions are tested comparing results obtained with the PB theory with simulations. We then propose a theory to take into account the electrostatic correlations, the Debye-Hückel-Hole-Cavity and test this approach with simulations. The electrostatic correlation leads to more ions close to the colloid than the Poisson Boltzmann predicts. Next, we present two different approaches to account for size effects, the Weight Density Approximation based in the Debye-Hückel-Hole-Cavity theory and the Weight Density Approximation based in a constant weight. Comparison with simulations show that the second approach gives a better agreement. The size correlations leads to less ions close to the colloid than the Poisson Boltzmann approach predicts. Finally we propose a combination of the Debye-Hückel-Hole-Cavity and the Weight Density Approximation based in a constant weight to be the theory able to take into account both electrostatic and size correlations. Our result shows that for G2d <2 and fs <0.2 electrostatic and size correlations are irrelevant so Poisson Boltzmann is a good approach; for G2d > 2 and fs < 0.2 electrostatic correlations dominates and Debye-Hückel-Hole-Cavity gives a good approach; G2d < 2 and fs > 0.2 the Weight Density Approximation based in a constant weight gives the correct behavior; for G2d ≈ 2 and fs ≈ 0.2 the electrostatic correlation effects cancel the size effects and Poisson Boltzmann gives a good approximation. For G2d > 2 and fs > 0.2 size effects dominate.