En el presente trabajo se ha realizado el diseño mecánico de una planta piloto de extracción por fluido supercrítico que utiliza dióxido de carbono (CO2) en estado supercrítico como solvente. La planta piloto está diseñada para poder procesar 5 litros de biomateria por cada corrida y trabajar con una presión de hasta 300 bar y una temperatura de 100C con un flujo de CO2 de 1 kg/min, los parámetros de estado han sido determinados a partir de un análisis de la biomateria disponible en el Perú con potencial para beneficiarse de la extracción por fluido supercrítico, en el cual destaca el Sacha Inchi, con alto contenido de Omega-3 como componente minoritario, como el material de referencia debido a que sus parámetros de extracción son los más altos del grupo encontrado (Pext = 300 bar y Text = 60 C), de modo que la planta sea capaz de procesar productos cuyos parámetros de extracción se encuentren por debajo del rango mencionado. El uso de CO2 supercrítico como solvente está justificado debido a la relativa facilidad para alcanzar su condición de fluido supercrítico (Pcrit = 73:8 bar y Tcrit = 31 C) respecto de otros fluidos cuyas presiones y temperaturas críticas son mucho más altas lo cual impacta directamente en el costo de la planta y en el caso de la temperatura posiblemente en la integridad de los extractos obtenidos. Por otra parte, el CO2 es un gas relativamente barato y no genera residuos dañinos ni para el producto deseado ni para el medio ambiente. El presente trabajo está enfocado en el diseño y la selección de los componentes principales de la planta piloto, a partir de lo cual se ha realizado la cotización de la planta obteniendo un costo de US$ 60812.27 incluido IGV. Cabe indicar que el apartado del control y automatización de la planta se ha planteado únicamente a nivel de ingeniería básica por lo cual su desarollo está previsto como trabajo a futuro. / Tesis

En esta tesis se estudió el fraccionamiento de aceites esenciales obtenidos de plantas aromáticas comunes en el país mediante el uso de dióxido de carbono supercrítico, con el objetivo de obtener compuestos o fracciones con actividad biocida. Se seleccionaron tres plantas: Tagetes minuta, Salvia officinalis y Mentha piperita. La extracción del aceite esencial se realizó mediante hidrodestilación, determinándose su composición mediante cromatografía de gases. Como parte de esta tesis, se construyó un equipo experimental de alta presión, con el cual se realizaron mediciones de solubilidad y composición de la fase supercrítica para cada sistema [CO2 + aceite esencial] en distintas condiciones de presión y temperatura (70–120 bar, 313–323 K), utilizando el método dinámico o de gas saturado. Se realizaron también ensayos de fraccionamiento semicontinuo para determinar la influencia de la composición en el grado de separación. Con los resultados experimentales obtenidos se validó un modelo termodinámico predictivo basado en la ecuación de estado a contribución grupal (GC-EOS), previo ajuste de los parámetros necesarios con datos provenientes de otras fuentes. Utilizando dicho modelo como base, y reduciendo la complejidad de los sistemas en términos de dos o tres pseudo-componentes, se realizaron simulaciones de columnas de fraccionamiento de múltiples etapas en contra-corriente, analizando la influencia de las variables operativas (presión, temperatura, relación solvente/ alimentación, relación de reflujo, etc.) con el objetivo de hallar condiciones recomendables de operación para separar los compuestos biocidas de interés. En el análisis, se utilizaron herramientas y consideraciones de la Ingeniería del Equilibrio de Fases. En el caso del aceite de T. minuta se procuró separar la fracción de cetonas insaturadas (ocimenonas); en el caso del aceite de S. officinalis se planteó la purificación de la fracción de monoterpenos oxigenados, separándolos a la vez de los hidrocarburos y de los sesquiterpenos; en el caso del aceite de M. piperita se planteó la separación de mentona y mentol. La actividad biocida de las fracciones obtenidas experimentalmente a partir del aceite de T. minuta fueron ensayadas frente a dos parásitos: el gorgojo del maíz y el nemátodo del nudo de la raíz. / The fractionation of essential oils from local aromatic species using supercritical carbon dioxide was studied, in order to obtain compounds or fractions with biocidal activity. Three species were chosen: Tagetes minuta, Salvia officinalis y Mentha piperita. The essential oil was extracted by hydrodistillation and its composition determined by gas chromatography. As a part of this project, a lab-scale high-pressure experimental apparatus was built. With this equipment, measurements of solubility and composition in the supercritical phase were performed for each [CO2 + essential oil] system at different pressure and temperature conditions (70–120 bar, 313–323 K), using a dynamic or gas saturated method. Semi-continuous fractionation experiments were also carried out in order to determine the effect of composition in the separation performance. With the experimental data a predictive thermodynamic model based on the group contribution equation of state (GC-EOS) was validated, after fitting the necessary parameters with data from other sources. With this model as background, and reducing the systems complexity in terms of two or three pseudo-components, simulations of multistage counter-current columns were carried out, analyzing the influence of the operation parameters (pressure, temperature, solvent-to-feed ratio, reflux ratio, etc.), in order to find recommended conditions for the separation of the biocidal components. In this analysis, phase equilibrium engineering tools and considerations were applied. In the case of T. minuta, the goal was to isolate the unsaturated ketones fraction (ocimenones); in the case of S. officinalis the goal was the separation of the oxygenated monoterpenes fraction from both the hydrocarbon and the sesquiterpene fraction; finally in the case of M. piperita the separation between menthone and menthol was proposed. The biocidal activity of the fractions obtained experimentally from T. minuta oil was tested against the corn weevil and the root knot nemathod.

Dióxido de carbono supercrítico (scCO2) é um solvente pouco eficiente para substâncias polares em geral. Uma maneira interessante de superar esta limitação e explorar todo o seu potencial como solvente verde, possível substituto para os solventes orgânicos voláteis comuns, é a introdução de tensoativos específicos para scCO2 no sistema. No presente trabalho, foram sintetizadas três novas séries de tensoativos oxigenados para scCO2. As moléculas possuem cabeças CO2-fóbicas mono e poli-hidroxiladas, em sua maioria à base de açúcares, e três tipos de cadeias CO2-fílicas, duas delas perfluoradas (-C7F15 e -C9F19) e uma peracetilada (derivada do ácido D-glucônico). Foram investigadas as suas solubilidades e comportamentos de fase em CO2 e em sistemas ternários (água-CO2-tensoativo), bem como a atividade na interface CO2-água. Todos eles dispersaram água em scCO2 com [água] / [tensoativo] (W) igual a 10, exibindo pressões de névoa comparáveis àquelas do sistema \"a seco\". Adicionalmente, os tensoativos reduziram a tensão interfacial CO2-água. O efeito das cabeças CO2-fóbicas e cadeias CO2-fílicas nessa redução pôde ser analisado separadamente. Os resultados dos experimentos de tensão interfacial dinâmica sugerem que tanto a difusão das moléculas da fase contínua para a subinterface, quanto a sua inserção e migração na interface contribuem para o decaimento das tensões interfaciais. / Supercritical carbon dioxide (scCO2) is a poor solvent for polar substances in general. An interesting way to overcome this limitation and fulfill its potential as a green solvent, a possible substitute for common volatile organic solvents, is the introduction of scCO2-suitable surfactants in the system. In the present work, three series of novel oxygenated surfactants for scCO2 were synthesized. The amphiphiles contain mono and poly-hydroxylated CO2-phobic heads, most of them sugar-based, as well as three types of CO2-philic tails, two of them perfluorinated (-C7F15 and -C9F19) and one peracetylated (D-gluconic acid derivative). Their solubilities and phase behaviors in CO2 and in ternary systems (water-CO2-surfactant), as well as their activities at the CO2-water interface, were investigated. All of them dispersed water in scCO2- with water-to-surfactant ratio (W) of 10, exhibiting cloud pressures comparable to those of \"dry\" systems. Also, the surfactants reduced the CO2-water interfacial tension. The effect of both the CO2-phobic heads and the CO2-philic tails could be analyzed separately. Dynamic interfacial tension results suggest that both diffusion from bulk CO2 to subinterface and insertion and migration of molecules within the interface contribute to the time-dependent decay of the interfacial tensions.

Dióxido de carbono supercrítico (scCO2) é um solvente pouco eficiente para substâncias polares em geral. Uma maneira interessante de superar esta limitação e explorar todo o seu potencial como solvente verde, possível substituto para os solventes orgânicos voláteis comuns, é a introdução de tensoativos específicos para scCO2 no sistema. No presente trabalho, foram sintetizadas três novas séries de tensoativos oxigenados para scCO2. As moléculas possuem cabeças CO2-fóbicas mono e poli-hidroxiladas, em sua maioria à base de açúcares, e três tipos de cadeias CO2-fílicas, duas delas perfluoradas (-C7F15 e -C9F19) e uma peracetilada (derivada do ácido D-glucônico). Foram investigadas as suas solubilidades e comportamentos de fase em CO2 e em sistemas ternários (água-CO2-tensoativo), bem como a atividade na interface CO2-água. Todos eles dispersaram água em scCO2 com [água] / [tensoativo] (W) igual a 10, exibindo pressões de névoa comparáveis àquelas do sistema \"a seco\". Adicionalmente, os tensoativos reduziram a tensão interfacial CO2-água. O efeito das cabeças CO2-fóbicas e cadeias CO2-fílicas nessa redução pôde ser analisado separadamente. Os resultados dos experimentos de tensão interfacial dinâmica sugerem que tanto a difusão das moléculas da fase contínua para a subinterface, quanto a sua inserção e migração na interface contribuem para o decaimento das tensões interfaciais. / Supercritical carbon dioxide (scCO2) is a poor solvent for polar substances in general. An interesting way to overcome this limitation and fulfill its potential as a green solvent, a possible substitute for common volatile organic solvents, is the introduction of scCO2-suitable surfactants in the system. In the present work, three series of novel oxygenated surfactants for scCO2 were synthesized. The amphiphiles contain mono and poly-hydroxylated CO2-phobic heads, most of them sugar-based, as well as three types of CO2-philic tails, two of them perfluorinated (-C7F15 and -C9F19) and one peracetylated (D-gluconic acid derivative). Their solubilities and phase behaviors in CO2 and in ternary systems (water-CO2-surfactant), as well as their activities at the CO2-water interface, were investigated. All of them dispersed water in scCO2- with water-to-surfactant ratio (W) of 10, exhibiting cloud pressures comparable to those of \"dry\" systems. Also, the surfactants reduced the CO2-water interfacial tension. The effect of both the CO2-phobic heads and the CO2-philic tails could be analyzed separately. Dynamic interfacial tension results suggest that both diffusion from bulk CO2 to subinterface and insertion and migration of molecules within the interface contribute to the time-dependent decay of the interfacial tensions.

En los últimos años en el territorio peruano, la importación de productos agropecuarios con valor agregado ha ido incrementando y de la misma forma la exportación de materia prima vegetal y esto genera que los productos importados resulten más caros que los productos exportados. Esto se debe a que en el Perú no se ha difundido tecnologías que permitan dar un valor agregado a los productos agrícolas. Una de las tecnologías que ha demostrado tener un buen rendimiento en la obtención de productos con valor agregado, es la llamada Extracción por fluido Supercrítico (SFE). La presente tesis es un aporte para el desarrollo de tecnología en extracción por fluido supercrítico, para esto se ha echo el diseño de la automatización de una planta piloto de extracción por fluido supercrítico utilizando CO2 como solvente. El CO2 es el elemento que debe llegar al estado supercrítico del cual se aprovechan las propiedades de disolvente y alta penetrabilidad, se ha trazado el circuito termodinámico en forma circular para conseguir reutilizar el CO2, el punto de operación del fluido en estado supercrítico se ha definido en 145 bares y 40 C. Con el ciclo termodinámico de nido se diseñó la parte eléctrica e de instrumentación considerando el diseño mecánico de los trabajos realizados en la Universidad Guelph de Canadá y la Pontificia Universidad Católica del Perú. La planta piloto está diseñada para operar de forma automática por medio del controlador industrial PLC-1200 de Siemens. el proceso inicia en el tanque que almacena CO2 líquido el cuál sirve de fuente para la bomba de presurización, luego a su salida existe un intercambiador de calor que incrementa la temperatura del CO2 para alcanzar el estado supercrítico, con esto se realiza extracción del extracto de la materia prima, luego atraviesa el tanque de separación donde se obtiene el extracto libre del solvente y finalmente se recupera el CO2 gaseoso mediante un condensador que lo lleva al estado líquido. Finalmente se ha diseñado una interfaz hombre maquina para que el personal especializado pueda definir los diferentes puntos de operación de forma segura, el diseño contempla la seguridad funcional del programa y del entorno. / Tesis

O dióxido de carbono no estado supercrítico (CO2-SC) tem despertado considerável interesse nos últimos anos como um novo solvente para reações orgânicas. Nesta tese foi investigada a influência do uso de CO2 supercrítico, associado ou não a líquidos iônicos ou cossolventes, como solvente em reações químicas visando à obtenção de precursores quirais. Foram estudadas as reações de condensação Aldólica, de Morita-Baylis-Hillman (MBH) e do tipo adição de Michael, empregando Organocatálise quando conveniente, isto é, catalisadores provenientes de aminoácidos e ácidos carboxílicos. As reações de MBH foram otimizadas através de um planejamento experimental e sua condição ótima se deu a 70°C, 110 bar, com 6 equivalentes de H2O, tempo reacional de 2h30 min e sem a presença de liquido iônico, tendo um rendimento de 84,6%. Para as condensações aldólicas os melhores resultados com acetona e p-nitrobenzaldeido como materiais de partida foram obtidos a 150 bar e 40°C, com a presença de liquido iônico, em 2 horas de tempo reacional com um rendimento de 54,0% e um excesso enantiomérico de 79,0% utilizando o catalisador (2S,4R)-4-(terc-butildimetilsililoxi)pirrolidina-2-ácido carboxílico. Com ciclohexanona como material de partida foram obtidos a 150 bar e 40°C com a presença de um doador de prótons (resina de troca iônica) em 2 horas de tempo reacional com um rendimento de 70,9% e um excesso enantiomérico de 91,2%, utilizando o catalisador (2S,4R)-4-(terc-butildimetilsililoxi)pirrolidina-2-ácido carboxílico. Outros aldeídos e cetonas utilizados como materiais de partida apresentaram rendimentos menores. Estudos de comportamento de fases foram feitos para os materiais de partida, catalisadores e produtos da reação de condensação Aldólica. Os melhores rendimentos foram obtidos em situações em que os materiais de partida e os catalisadores eram solúveis na fase supercrítica, mas os produtos não, formando uma segunda fase. / Supercritical carbon dioxide (sc-CO2) has attracted considerable interest in the last years as a new solvent for organic reactions. In this thesis, the influence of supercritical CO2 use, associated or not to ionic liquids or cosolvents, as a solvent for chemical reactions aiming at the synthesis of chiral precursors was studied. Aldol condensation, Morita-Baylis-Hillman (MBH) and Michael addition reactions were studied, employing organocatalysis when it was convenient, i.e., catalysts derived from aminoacids or carboxylic acids. MBH reactions were optimized through experimental design, resulting in a maximum yield of 84.6% for the optimal condition at 70°C, 110 bar, and 6 equivalents of H2O, reaction time of 2h30 min and the absence of ionic liquids. For the Aldol condensation reactions employing acetone and p-nitrobenzaldehyde, a maximum yield of 54.0%, with an enantiomeric excess of 79.0% was obtained at 150 bar, 40°C, 2h reaction time, in the presence of ionic liquid, using the catalyst (2S,4R)-4-(terc-butyldimethylsililoxy)pirrolidine-2-carboxylic acid. The yields were significantly lower for other aldehydes and ketones. Yields for Michael addition reactions were very low and their study was discontinued. Phase behavior studies were performed with starting materials, catalysts and products for the Aldol condensation reactions. The best yields were obtained for situations where the starting materials and catalysts were soluble in the supercritical phase and the products were not, forming a second phase.

O dióxido de carbono no estado supercrítico (CO2-SC) tem despertado considerável interesse nos últimos anos como um novo solvente para reações orgânicas. Nesta tese foi investigada a influência do uso de CO2 supercrítico, associado ou não a líquidos iônicos ou cossolventes, como solvente em reações químicas visando à obtenção de precursores quirais. Foram estudadas as reações de condensação Aldólica, de Morita-Baylis-Hillman (MBH) e do tipo adição de Michael, empregando Organocatálise quando conveniente, isto é, catalisadores provenientes de aminoácidos e ácidos carboxílicos. As reações de MBH foram otimizadas através de um planejamento experimental e sua condição ótima se deu a 70°C, 110 bar, com 6 equivalentes de H2O, tempo reacional de 2h30 min e sem a presença de liquido iônico, tendo um rendimento de 84,6%. Para as condensações aldólicas os melhores resultados com acetona e p-nitrobenzaldeido como materiais de partida foram obtidos a 150 bar e 40°C, com a presença de liquido iônico, em 2 horas de tempo reacional com um rendimento de 54,0% e um excesso enantiomérico de 79,0% utilizando o catalisador (2S,4R)-4-(terc-butildimetilsililoxi)pirrolidina-2-ácido carboxílico. Com ciclohexanona como material de partida foram obtidos a 150 bar e 40°C com a presença de um doador de prótons (resina de troca iônica) em 2 horas de tempo reacional com um rendimento de 70,9% e um excesso enantiomérico de 91,2%, utilizando o catalisador (2S,4R)-4-(terc-butildimetilsililoxi)pirrolidina-2-ácido carboxílico. Outros aldeídos e cetonas utilizados como materiais de partida apresentaram rendimentos menores. Estudos de comportamento de fases foram feitos para os materiais de partida, catalisadores e produtos da reação de condensação Aldólica. Os melhores rendimentos foram obtidos em situações em que os materiais de partida e os catalisadores eram solúveis na fase supercrítica, mas os produtos não, formando uma segunda fase. / Supercritical carbon dioxide (sc-CO2) has attracted considerable interest in the last years as a new solvent for organic reactions. In this thesis, the influence of supercritical CO2 use, associated or not to ionic liquids or cosolvents, as a solvent for chemical reactions aiming at the synthesis of chiral precursors was studied. Aldol condensation, Morita-Baylis-Hillman (MBH) and Michael addition reactions were studied, employing organocatalysis when it was convenient, i.e., catalysts derived from aminoacids or carboxylic acids. MBH reactions were optimized through experimental design, resulting in a maximum yield of 84.6% for the optimal condition at 70°C, 110 bar, and 6 equivalents of H2O, reaction time of 2h30 min and the absence of ionic liquids. For the Aldol condensation reactions employing acetone and p-nitrobenzaldehyde, a maximum yield of 54.0%, with an enantiomeric excess of 79.0% was obtained at 150 bar, 40°C, 2h reaction time, in the presence of ionic liquid, using the catalyst (2S,4R)-4-(terc-butyldimethylsililoxy)pirrolidine-2-carboxylic acid. The yields were significantly lower for other aldehydes and ketones. Yields for Michael addition reactions were very low and their study was discontinued. Phase behavior studies were performed with starting materials, catalysts and products for the Aldol condensation reactions. The best yields were obtained for situations where the starting materials and catalysts were soluble in the supercritical phase and the products were not, forming a second phase.

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No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ModelagemSimulacaoSistemas.pdf: 2116849 bytes, checksum: 2305ead25bf9999f87a76aaf1c512f78 (MD5) Previous issue date: 2014-04-30 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Grandes aplicações utilizando fluidos supercríticos relacionados ao fracionamento de produtos naturais têm sido estudadas nas últimas décadas. Este trabalho teve como objetivo a modelagem termodinâmica do equilíbrio de fases de sistemas binários e multicomponentes de constituintes relacionados a indústria de óleos vegetais (ácidos graxos, triglicerídeos, esqualeno, α-tocoferol e ésteres etílicos e metílicos de ácidos graxos) com dióxido de carbono supercrítico, utilizando as equações de estado cúbicas de Soave-Redich-Kwong (SRK) e Peng-Robinson (PR) com as regras de mistura Quadrática e de Mathias-Klotz-Prausnitz, para construir uma base de dados de parâmetros de interação binária entre estes constituintes e entre estes constituintes com o dióxido de carbono, com destaque para as interações relacionadas aos compostos bioativos. As equações de PR e SRK mostraram eficiência na correlação dos dados de equilíbrio dos sistemas binários. Para a maioria dos sistemas binários o ajuste dos dados experimentais com as regras de mistura com dois parâmetros de interação binária obtiveram bons resultados e equivalentes quando comparados com as regras de mistura com três parâmetros. Para sistemas multicomponentes, quando a correlação dos dados experimentais com o programa PE, empregando ambas as equações com a regra de mistura quadrática obteve convergência, foram obtidos melhores resultados para descrição do equilíbrio de fases e para a representatividade da análise termodinâmica da separação através dos coeficientes de distribuição. Para o sistema CO2 (1)/Ácido Oleico (2)/Ácido Linoleico (3) a predição do equilíbrio com a utilização de uma matriz de parâmetros de interação de sistemas binários se mostrou equivalente em relação ao uso de parâmetros de interação de sistemas multicomponentes. Em relação ao sistema CO2 (1)/ Metil Miristato (2)/ Metil Palmitato (3) os resultados obtidos a partir do cálculo do equilíbrio utilizando a matriz de parâmetros de interação de sistemas binários, quanto com os parâmetros de interação do sistema multicomponente, apresentaram desvios médios semelhantes para a temperatura de 323,15K. Para o sistema CO2 (1)/ Esqualeno (2)/ Trioleína (3)/ Ácido Oleico (4), os melhores resultados foram obtidos pela regra de mistura Quadrática com os parâmetros de interação do sistema multicomponentes. Em relação ao sistema PFAD0 (CO2 (1)/ Ácido Oleico (2)/ Ácido Palmítico (3)/ Esqualeno (4), os resultados obtidos utilizando a matriz de parâmetros de interação de sistemas binários mostraram desvios médios abaixo de 8%. O cálculo do ELV para o sistema CO2 (1)/ Metil Miristato(2)/ Metil Palmitato (3)/ Metil Oleato (4)/ Metil Estearato(5) ,com os programas PE2000 e EDEflash utilizando a EDE SRK com a regra de mistura Quadrática, utilizando a matriz de parâmetros de interação obtidos de sistemas binários mostraram resultados similares. Em relação ao sistemas multicomponente CO2 (1)/ Etil Palmitato (2)/ Etil Estearato (3)/ Etil Oleato (4)/ Etil Linoleato (5) (ésteres etílicos do óleo de dendê), a predição do ELV, utilizando a matriz de parâmetros de interação dos sistemas binários, ajustados com a EDE SRK combinada com a regra de mistura Quadrática, apresentaram resultados com desvios abaixo de 4%, em ambas as fases, para a isoterma de 333,15 K. / Large applications using supercritical fluids related to the fractionation of natural products have been studied in recent decades. This work had as objective the thermodynamic modeling of phase equilibrium of binary and multicomponent systems of vegetable oils related compounds (fatty acids, triglycerides, squalene, α-tocopherol and methyl and ethyl esters of fatty acids) with supercritical carbon dioxide, using the cubic equations of state of Soave-Redich-Kwong (SRK) and Peng-Robinson (PR), with the Quadratic and Mathias-Klotz-Prausnitz mixing rules, to build a database of binary interaction parameters between these constituents and between these constituents with carbon dioxide, with an emphasis on the interactions related to bioactive compounds. The equations of PR and SRK showed efficiency in correlation of binary systems equilibrium data. For most binary systems experimental data fit, with the mixing rules with two binary interaction parameters, obtained good results and cash equivalents when compared with the mixing rules with three parameters. For multicomponent systems, when the experimental data were correlated with the PE program, employing both equations with quadratic mixing rule, shown convergence, best results for phase equilibrium description and the representativeness of the thermodynamic analysis of separation through the distribution coefficients were obtained. For the CO2 (1)/(2) oleic acid/linoleic acid (3) system, the prediction of equilibrium with an interaction parameters matrix of binary systems proved equivalent in relation to the use of multicomponent systems interaction parameters. In relation to the CO2 (1)/Methyl Myristate (2)/Methyl Palmitate (3) system the results obtained from the calculation using the interaction parameters matrix of binary systems, as with the parameters of interaction of multicomponent system, showed average deviation similar to the temperature of 323.15 K. For the CO2 (1)/Squalene (2)/(3)/Triolein oleic acid (4) system, the best results were obtained by the Quadratic mixing rule with the multi-component system interaction parameters. In relation to the CO2 (1)/(2) oleic acid/Palmitic acid (3)/Squalene (4) system, the results obtained using the interaction parameters matrix of binary systems showed average deviations below 8%. The calculation of the ELV for the CO2 (1)/Methyl Myristate (2)/Methyl Palmitate (3)/Methyl Oleate (4)/Methyl Stearate (5) system, with the EDEflash and PE program with Quadratic mixture rule, using the interaction parameters matrix from binary systems showed similar results. For the CO2 (1)/Ethyl Palmitate (2)/ Ethyl Stearate(3)/ Ethyl Oleate (4)/ Ethyl Linoleate (5) (palm oil ethyl esters) system, the prediction of the ELV with the SRK combined with Quadratic mixing rule, using the interaction parameters matrix from binary systems, presented results with deviations below 4% in both phases at 333.15 K.

Los materiales compuestos nanoestructurados son considerados una opción prometedora para la concepción de materiales multifuncionales. Sin embargo, la falta habitual de interacción entre los componentes orgánicos e inorgánicos en los materiales híbridos nanoestructurados comporta unas propiedades macroscópicas anisotrópicas que limitan su uso. Por ello, se hace necesario el diseño de la interfase formada entre los componentes mencionados a fin de mejorar sus prestaciones. En esta Tesis Doctoral se ha optado por el uso de dióxido de carbono supercrítico (scCO2) para la modificación superficial de nanopartículas inorgánicas y para la preparación de materiales híbridos nanoestructurados. Estos procesos supercríticos, diseñados como sostenibles, se proponen como sustitutos de técnicas convencionales que empleen disolventes orgánicos. El tratamiento superficial de nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2) con octiltrietoxisilano se ha empleado como sistema de estudio para evaluar el uso de recubrimientos de alcoxisilanos bifuncionales como promotores de adhesión de partículas inorgánicas nanométricas. El scCO2 se emplea como disolvente del alcoxisilano para la silanización del TiO2. También se han llevado a cabo estudios fundamentales de solubilidad de octiltrietoxisilano en CO2 y de la cinética del proceso de silanización del TiO2. La modulación de las propiedades fisicoquímicas del scCO2 con la presión y la temperatura permite el control de las características del recubrimiento con silano. El proceso de silanización supercrítico se ha extendido a diferentes sistemas alcoxisilano-nanopartículas inorgánicas. Asimismo, se ha evaluado la tecnología de scCO2 para la preparación de materiales híbridos nanoestructurados que contengan nanopartículas inorgánicas silanizadas. El tratamiento superficial de las nanopartículas favorece la distribución homogénea de éstas en el material híbrido y mejora la interacción relleno-matriz orgánica. Se han procesado matrices biopoliméricas de interés en ingeniería tisular, compuestas de ácido poliláctico o la mezcla iv polimetilmetacrilato/policaprolactona, con adiciones de nanopartículas de TiO2 o hidroxiapatita, respectivamente. Para su procesado, se ha empleado scCO2 como no-disolvente utilizando la técnica Particles from a Compressed Anti-Solvent (PCA). Además, se han preparado partículas híbridas formadas por una mezcla lipídica de aceite de ricino hidrogenado y glicerilmonoestearato con adiciones de TiO2 y cafeína, con posibles aplicaciones en cremas para uso tópico. Estas partículas sólidas lipídicas se han obtenido usando la técnica Particles from Gas Saturated Solutions (PGSS) que emplea scCO2 como soluto. Por último, el proceso de silanización supercrítico se ha ensayado para materiales híbridos complejos multiescalados. Se han procesado materiales de base cemento empleando un proceso supercrítico de carbonatación-silanización en dos etapas. Primero, el cemento se carbonata de manera acelerada usando scCO2 como agente de carbonatación. Este cemento, ya carbonatado, se somete, finalmente, a un tratamiento hidrofóbico mediante silanización supercrítica, para su posible aplicación en confinamiento de residuos peligrosos en ambientes húmedos o como material de construcción duradero. / Nowadays, society is asking for a global changing in the way of manufacturing goods in a more sustainable manner. Indeed, the weight of the classical factors (cost, quality, appearance) influencing the acceptance of a certain good in the market have currently changed. Manufacturing requirements and regulations concerning environment protection (e.g., resource consumption, sustainability, toxicity, CO2 footprint, recycling potential) and quality features (e.g., product guarantees, durability against aggressive environments, corporate vision) are aspects of increasing concern. The competitive position of a company is influenced by seizing the opportunities and challenges and by managing the risks that the changeable market has. As a consequence, the industry is continuously looking for smart and innovative solutions for the design and manufacturing of materials with novel properties and increased added value, and for the production of materials already existing in the market in a more efficient manner. Nanostructured hybrid composites have emerged as a promising class of innovative materials for many industrial sectors (e.g., energy, optoelectronics, biomedicine, cosmetics). The multicomponent composition of these materials provides them with unique properties arising from the synergistic combination of the characteristics of their individual components structured at the nanolevel. Nevertheless, in numerous hybrid materials, the lack of coupling or bonding between the components often leads to anisotropic macroscopic properties, limiting their use. Hence, the interaction at the interphase between hybrid components must be properly engineered to enhance materials properties. In this PhD Thesis, the quest for sustainable and environmentally friendly processes led to the use of supercritical carbon dioxide (scCO2) for both the surface modification of nanometric inorganic particles and the preparation of nanostructured hybrid materials. These processes are designed for the replacement of conventional methods using organic solvents. vi Bifunctional alkoxysilane molecules, acting as adhesion promoters, are, herein, investigated for the surface modification of nanometric inorganic particles. The surface treatment of titanium dioxide (TiO2) nanoparticles with octyltriethoxysilane is taken as the model system for study. In terms of processing, scCO2 is used as the solvent of choice for alkoxysilanes for the surface modification of TiO2. Fundamental studies on the solubility of the used silane in CO2 in the pressure range 8-18 MPa at two different temperatures (318 and 348 K) and on the kinetics of the TiO2 silanization process are performed. For the scCO2-aided silanization process, studies are conducted to ascertain the effects and interactions of the operating variables on the properties of the final material. Results show that the tunable physicochemical properties of scCO2 with pressure and temperature (e.g., density, solvation power) allows the engineering control of the characteristics of the silane coating. Examples of the extension of the application of the supercritical silanization process to other sets of alkoxysilanes and inorganic nanoparticles are also presented. The preparation of hybrid materials including silanized inorganic nanoparticles and organic matrices is further tested using scCO2 technology. Surface treated nanoparticles are used to facilitate the homogeneous distribution of the nanoparticles within the matix and to improve the inorganic filler-organic matrix interaction. Biopolymeric matrices of either poly(L-lactic acid) (L-PLA) or the blend poly(methylmethacrylate)/poly(ε-caprolactone) (PMMA/PCL) loaded with nanometric titanium dioxide or hydroxyapatite, respectively, are prepared. To obtain these hybrid materials, scCO2 is employed as an anti-solvent, using the Particles from a Compressed Anti-Solvent (PCA) technique. Studies are performed to pursue the effect of the processing conditions on the morphology of the precipitated hybrid materials. The resulting material, obtained in the form of fibers, has suitable properties for its potential application in tissue engineering. In a different system, hybrid particles composed of a lipidic matrix (hydrogenated castor oil/glyceryl monostearate) loaded with silanized titanium dioxide and caffeine are prepared. The Particles from Gas Saturated Solutions (PGSS) technique, assisted by the use of scCO2 as a solute, is employed for the production of these solid lipid particles. The obtained hybrid material is evaluated concerning the drug carrier and release ability and the UV-shielding capacity. The UV-light protection and photoaging prevention capacity of the lipid-based hybrid material provide excellent properties for the use of these particles in the formulation of sunscreens and pharmaceutical dermal products. vii Finally, the possibility of extending the supercritical silane treatment to multiscale complex hybrid materials is assessed. The technology based on the use of scCO2 is presented for the two-step carbonation-silanization process of cement-based materials. In the first step, the carbonation of cement is accelerated using scCO2 as the carbonation agent. The effects of the cement formulation and process operation conditions on the microstructure and physicochemical properties of carbonated samples are evaluated. The carbonation process is followed by the hydrophobic treatment of the carbonated samples using a supercritical silanization method. The surface modification of carbonated cement with octyltriethoxysilane confers water repellence to the material. The carbonation-silanization process is scheduled and integrated to mitigate the consumption of raw materials and the use of facilities.

Em 1947, Messmore, obteve uma patente para a retirada do asfalto de petróleo usando fluidos supercríticos. Depois surgiram muitas patentes, principalmente, sobre a descafeinação do café, a extração do lúpulo e da nicotina. Novo estímulo surgiu com o programa da EPA de redução do uso de produtos químicos até 1995, devido às emissões industriais tóxicas. Estas seriam responsáveis pelo aquecimento global do planeta. Muitos trabalhos publicados até hoje, recomendam o uso do CO2 e o método da extração supercrítica, para a obtenção de extratos naturais. Na área farmacêutica, a validação de processos e metodologia analítica está plenamente aceita como atividade necessária e que tem produzido excelentes resultados na melhoria do desempenho industrial e da qualidade dos produtos. Este trabalho validou o método da extração supercrítica usando as sementes do guaranazeiro, planta que cresce naturalmente na Amazônia. O guaraná, possuidor de cafeína é conhecido como estimulante e regenerador do organismo e entre os índios como afrodisíaco. / Abstract not available.