O objetivo deste trabalho de pesquisa foi investigar o desempenho de alunos que trabalharam com atividades de simulação e modelagem computacionais no estudo de circuitos elétricos, utilizando o software Modellus, comparado com alunos expostos apenas ao sistema tradicional de ensino. A fundamentação teórica adotada esteve baseada no referencial de trabalho de Halloun sobre modelagem esquemática e na teoria de Ausubel sobre aprendizagem significativa. O estudo envolveu 193 alunos de cursos de Engenharia, da disciplina de Física-II oferecida pela UFRGS no 2° semestre de 2004. O procedimento didático ocorreu em duas etapas. Na primeira, os alunos do grupo experimental trabalharam com um conjunto de atividades sobre circuitos elétricos simples durante cinco aulas e na etapa seguinte, com um conjunto de atividades sobre circuitos RLC durante quatro aulas. Cada aula teve duração de 1h40min. Os resultados quantitativos mostram que houve melhorias estatisticamente significativas no desempenho dos alunos do grupo experimental, quando comparado aos alunos dos grupos de controle, expostos apenas ao método tradicional de ensino. Os resultados de nossa análise qualitativa sugerem que muitos dos alunos atingiram uma aprendizagem significativa. Nossas observações e o levantamento de opiniões mostraram que o procedimento didático adotado exigiu muita interação dos alunos com as atividades computacionais, dos alunos entre si e com o professor, tornando-se um elemento motivador na aprendizagem dos alunos.

Neste projeto, utilizamos algumas tecnologias da informação e comunicação para desenvolver uma estratégia de ensino de Física para o Ensino Médio abordando o tópico da cinemática. A estratégia contou com a utilização de aulas e testes virtuais e também com atividades de modelagem computacional com o programa Modellus. Todas as atividades foram aplicadas no laboratório de informática e mediadas pelo computador. Esta estratégia foi aplicada em duas turmas do primeiro ano do Ensino Médio do Instituto Adventista Cruzeiro do Sul, localizado na cidade de Taquara, RS, entre os meses de março e maio, do ano letivo de 2009, e contou com uma carga horária de 22 horas – aula. O projeto teve como referencial teórico a Teoria dos Campos Conceituais de Gerard Vergnaud, que diz que a conceitualização é o centro do desenvolvimento cognitivo. Todo o material desenvolvido foi colocado em forma de um hipertexto que está disponível na internet de modo que outros professores façam uso destes recursos. Através das observações feitas durante a aplicação desta proposta, vimos que uma estratégia de ensino baseada no uso de tecnologias como estas, permitem um aprendizado mais eficaz, visto que o contato e a interação dos alunos com o objeto de estudo e com as ferramentas educacionais é muito maior quando comparado com as metodologias tradicionais, por isso esta estratégia apresenta um grande potencial como recurso educacional para o ensino de Física. / In this project, we use some of the new technologies of information and communication to develop a strategy for teaching physics to high school addressing the topic of kinematics. The strategy included the use of virtual classes and tests and also with activities of computer modeling with the program Modellus. All activities were computer-mediated implemented in the computer lab. This strategy was applied to two groups: the first year of high school of the Instituto Adventista Cruzeiro do Sul, located in the city of Taquara RS between March and May of the academic year 2009, and had a workload of 22 hours - in class. The project is theoretical based on the Theory of Conceptual Fields by Gerard Vergnaud, which says that the conceptualization is the center of cognitive development. All the material developed was placed in the form of a hypertext that is available on the Internet so that other teachers can make use of these resources. Through observations made during the implementation of this proposal, we saw that a strategy based on the use of technologies like these, allow a more effective learning, as the contact and interaction of students with the object of study and educational tools is greater when compared with traditional methods, so this strategy has great potential as an educational resource for the teaching of physics.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Gestão do Conhecimento / Made available in DSpace on 2012-10-26T08:03:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 299748.pdf: 19851807 bytes, checksum: cb4b33132eeb643eb26c17c18e2c40a0 (MD5) / A Era do Conhecimento impõe às organizações modernas o desafio de desenvolver liderança considerando a natureza complexa das relações e interações sociais. Um dos métodos possíveis neste contexto são os Jogos de Empresas Eletrônicos (JEEs), que permitem a vivência de situações reais em ambientes simulados. As características subjetivas e complexas da liderança têm limitado a produção e o uso de JEEs aplicados ao desenvolvimento de liderança. O objetivo deste estudo é apresentar as concepções de um framework para apoiar a produção de JEEs aplicados ao desenvolvimento de liderança com base na Complexidade, denominado de ComplexView. Os principais referenciais teóricos utilizados são a Pirâmide Metodológica da Engenharia do Conhecimento, os Sistemas Complexos Adaptativos (SCA) e a Teoria da Liderança com base na Complexidade (TLC). O framework se apoia na pirâmide metodológica da Engenharia do Conhecimento, em métodos de produção de JEEs e na Modelagem Baseada em Agentes (MBA). O método de pesquisa utilizado para verificar a consistência do framework foi a produção e teste de um JEE. Na etapa de produção foram seguidos os níveis e atividades propostos pelo framework gerando o JEE ComplexLeader. Na etapa de teste, o JEE ComplexLeader foi aplicado a uma turma de egressos e estudantes de cursos de pós-graduação da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Estas etapas permitiram reavaliar e aperfeiçoar a estrutura teórico-metodológica do framework. O principal resultado alcançado com o estudo foi fornecer um referencial teórico e metodológico para orientar e dar suporte às equipes interdisciplinares de produção de JEEs. O processo de desenvolvimento do framework permitiu concluir que é possível criar um método educacional baseado em JEEs que apoia a formação e o desenvolvimento de liderança, fundamentando-se na visão e nos princípios da Complexidade / The Knowledge Era demands to modern organizations the challenge of developing leadership considering the complex nature of the relationships and social interactions. One of the possible methods in this context are the Digital Business Games (DBGs) that allow experiencing real situations in simulated environments. The complex and subjective features of leadership has restricted the production and use of the DBGs applied to leadership development. The aim of this study is to present a framework to support the production of DBGs applied to the development of leadership based on Complexity. This framework is named ComplexView. The main theoretical foundations used are the Methodological Pyramid of Knowledge Engineering, the Complex Adaptive Systems (CAS) and the Complexity Leadership Theory (CLT). The framework is based on the methodological pyramid of Knowledge Engineering, DBGs production methods, and Agent Based Modeling (ABM). The research method used to verify the consistency of the framework was the production and the use of a JEE. In the production stage were followed the levels and activities proposed by the framework. In this stage was created the ComplexLeader DBG. In the use stage, ComplexLeader DBG was tested with a group of graduates and students from different courses at the Federal University of Santa Catarina (UFSC), Brazil. These stages provided elements to review and improve the structure of the framework. The main result achieved in this study was to provide a theoretical and methodological framework to guide and support interdisciplinary teams in the production of DBGs. The process of developing the framework proves that is possible to create an educational method based on the DBGs, which supports leadership development and training, building upon the vision and principles of Complexity

Face detection, gesture recognition and pornography content assessment are some of the applications that require the detection of human skin in digital imagery. Most methods employ color as the main feature for this task. Whenever the acquisition conditions are controlled, there is available information about illumination, resolution and geometry, making the skin detection problem a relatively easy task for which there are plenty of results in the literature. The problem becomes more challenging in less structured conditions, mainly because of the influence illumination conditions have on the apparent color of objects. There are proposals for color correction that lead to both good and bad classification results, depending on the input data. When dealing with Web imagery, little can be assumed about their content or about the conditions in which they were acquired, and robust techniques are needed for skin detection. This MSc thesis makes a qualitative assessment of seven skin detection models and of four different types of input data. A heuristic is proposed for deciding if an image requires color correction and, if needed, which is the best suited technique. Results are compared by means of measures derived from confusion matrices, and our approach produces competitive classification products. / A detecção de pele humana em imagens digitais é utilizada para diversas aplicações como detecção de faces, reconhecimento de gestos e detecção de pornografia. A forma mais comum de detecção de pele encontrada na literatura é através da cor. A variação de iluminação pode redundar em efeitos nocivos à detecção de pele, pois a aparência da cor de um objeto é diretamente relacionada com a forma em que ele é iluminado. Para a detecção de pele pela cor exclusivamente, estratégias robustas às variações de iluminação e modelos descrevam corretamente o agrupamento das cores da pele devem ser utilizados. Ao enfrentarmos o problema de detecção de pele em ambientes onde não há controle sobre as características da imagem, não encontramos resultados satisfatórios na literatura, principalmente quando se refere à tentativa de minimizar os efeitos da variação de iluminação. As estratégias de correção de cor presentes na literatura melhoram consideravelmente a detecção de pele em algumas situações específicas, mas degradam esta classificação em outras situações. Neste trabalho, avaliamos o desempenho de sete diferentes modelos de detecção de pele, com quatro diferentes tipos de dados de entrada e propusemos uma estratégia para escolha das imagens que serão submetidas à correção de cor e o tipo de técnica de correção de cor mais adequado para esta imagem. A técnica que utiliza um modelo gaussiano bivariado, utilizando as duas primeiras componentes após aplicarmos transformação de componentes principais ao dados RGB da amostra de pele utilizada para treinamento resultou na melhor técnica abordada nesse trabalho ao utilizarmos a correção de cor proposta. Os resultados obtidos são comparados por meio de diversas métricas derivadas da matriz de confusão, e se mostram pelo menos tão bons quanto os alcançados por técnicas disponíveis na literatura.

Uma potencial alternativa para o transplante de tecidos é a engenharia de tecidos. Células-tronco mesenquimais e scaffolds eletrofiados são comumente utilizados nesta área devido à capacidade multipotente de diferenciação destas células e à rede de poros interconectados destas estruturas fibrosas. Além disso, bioreatores de perfusão podem ser utilizados para melhorar o transporte de nutrientes e reduzir o acúmulo de metabolitos tóxicos. Neste contexto, uma maneira de estudar e otimizar o sistema de cultivo é utilizar técnicas de modelagem para descrever interações ou processos individuais envolvidos no crescimento celular. Deste modo, o objetivo geral deste estudo é realizar o cultivo de células-tronco mesenquimais da polpa de dente decíduo (DPSCs) utilizando scaffolds tridimensionais eletrofiados de policaprolactona (PCL), biorreatores e técnicas de modelagem. Inicialmente foram testadas diferentes misturas de solventes (clorofórmio e metanol), a fim de produzir scaffolds com poros adequados ao cultivo tridimensional. Os diâmetros de fibra e de poro foram determinados por microscopia eletrônica de varredura (MEV). O crescimento e o metabolismo das células foram avaliados através da determinação da atividade metabólica e das concentrações de glicose e lactato do meio de cultivo, e a infiltração celular foi observada com a marcação do núcleo celular. Depois de estabelecidos os parâmetros de eletrofiação, o efeito da perfusão direta no desprendimento de DPSCs de scaffolds eletrofiados de PCL foi estudado. A atividade metabólica das células foi determinada para diferentes tempos de adesão, vazões e densidades de semeadura, e a tensão de cisalhamento na parede do poro foi calculada para cada vazão. A morfologia das células foi avaliada através de imagens de microscopia confocal e MEV. Paralelamente, foram realizadas simulações utilizando o software OpenFOAM para estudar como os parâmetros e variáveis de entrada (concentração inicial de glicose, porosidade e espessura do scaffold) afetam as saídas (fração volumétrica de células e concentração de substrato) de um modelo de proliferação celular que considera a difusão e o consumo de glicose. As contribuições do teor de oxigêno na cinética de crescimento de Contois e da variação da porosidade com o tempo devido à degradação do polímero também foram avaliadas. Inicialmente, foi observado que apenas um tamanho de poro maior que o diâmetro da célula permitiu a infiltração das células no scaffold. Então, observou-se que o aumento do tempo de adesão acarretou em maior espalhamento das células e, assim como a diminuição da densidade de semeadura e da tensão de cisalhamento, resultou em uma redução do desprendimento das células sob perfusão. Quanto ao modelo fenomenológico, observou-se maior sensibilidade à concentração inicial de glicose e à porosidade do scaffold, e aos parâmetros adimensionais relacionados à proliferação e morte celular e ao consumo de nutrientes. Além disso, o número inicial de células apresentou maior impacto no transporte de massa do que no crescimento celular. Neste estudo, foi possível obter scaffolds eletrofiados e conduções de cultivo dinâmico adequadas ao cultivo tridimensional de DPSCs, e elucidar os efeitos da limitação do transporte de massa e do oxigênio no crescimento celular, e da degradação do polímero no transporte de massa. / A potential alternative to tissue transplant is tissue engineering. Mesenchymal stem cells and electrospun scaffolds are commonly used in this field due to the multipotent differentiation capacity of these cells and the interconnected pore network of these fibrous structures. In addition, perfusion bioreactors can be used to enhance nutrient transport and reduce the accumulation of toxic metabolites. In this context, one way to study and optimize the culture system is to use modeling techniques to describe interactions or individual processes involved in cell growth. Thus, the objective of this study is to perform the three-dimensional culture of mesenchymal stem cells of dental pulp (DPSCs) using electrospun polycaprolactone (PCL) scaffolds, bioreactors and modeling techniques. Initially, different solvent mixtures (chloroform and methanol) were tested to produce scaffolds with pores suitable to three-dimensional culture. Fiber and pore diameter was determined using a scanning electron microscope. Cell growth and metabolism were evaluated through the metabolic activity and the culture medium concentration of glucose and lactate, and the cell infiltration was observed with cell nuclei staining. After the establishment of the elesctrospinning parameters, the effect of direct perfusion on DPSCs detachment from PCL electrospun scaffolds was investigated. The metabolic activity of the cells was determined for different adhesion times, flow rates and seeding densities and the pore wall shear stress was calculated for each flow rate. The cell morphology was evaluated through scanning electron and confocal microscopy imaging. In parallel, simulations with the software OpenFOAM were performed to study how parameters and inputs (initial glucose concentration, porosity and thickness of the scaffold) affect the outputs (cell volume fraction and substrate concentration) of a model of cell proliferation and glucose diffusion and consumption. The contribution of the oxygen in the Contois growth kinetics and the porosity variation with time due to polymer degradation was also evaluated. Initially, it was observed that only a pore size higher than the cell diameter allowed the infiltration of the cells through the scaffold. Then, it was observed that a higher adhesion time leaded to higher cell spreading in static conditions and, similar to smaller seeding densities and shear stresses, reduced cell detachment under perfusion. Regarding the phenomenological model, it was observed that the model is more responsive to the initial glucose concentration and scaffold porosity, and to the dimensionless parameters related to cell proliferation, death and nutrient uptake. Furthermore, the initial cell number had a more significant impact on mass transport than on cell growth. In this study, it was possible to obtain an electrospun scaffold and dynamic culture conditions suitable for the three-dimensional culture of DPSCs, and to elucidate the effects of transport limitations and of oxygen on cell growth, and of polymer degradation on mass transport were elucidated.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Diversos pesquisadores têm estudado o comportamento e o emprego de lajes nervuradas de concreto armado em sistemas estruturais na engenharia civil que demonstrem viabilidade sob o ponto de vista técnico e econômico. Por esta razão, inúmeros trabalhos têm sido publicados nos últimos anos respaldados por testes experimentais e análises numéricas. Neste contexto, diversos tipos de sistemas estruturais de lajes nervuradas têm sido desenvolvidos. Assim sendo, o objetivo desta investigação é o de contribuir, no que tange ao estudo do comportamento estrutural estático e dinâmico de lajes nervuradas de concreto armado, tendo em mente o emprego destas em sistemas estruturais na engenharia civil. Este trabalho de pesquisa objetiva também o estudo da resposta dinâmica de lajes nervuradas de concreto armado, sob o ponto de vista de conforto humano, especialmente quando essas estruturas encontram-se submetidas a atividades humanas rítmicas. A definição das ações dinâmicas atuantes sobre os modelos estruturais foi feita com base em resultados experimentais, que consideram grupos de indivíduos desenvolvendo atividades rítmicas correspondentes à ginástica aeróbica (atividade sincronizada). São empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa de elementos finitos ANSYS. No presente modelo computacional, as vigas de bordo, nervuras e a laje de concreto armado são simuladas por elementos finitos de casca. Os resultados obtidos ao longo do estudo, em termos das acelerações de pico, são confrontados e comparados com os limites propostos por normas de projeto, sob o ponto de vista do conforto humano. Com base na análise dinâmica das lajes nervuradas investigadas foi possível verificar que as atividades humanas rítmicas podem vir a gerar valores de acelerações de pico elevados e que violam os critérios de conforto humano. Deste modo, foi observado que, as acelerações nos modelos estudados, podem atingir níveis elevados de vibração que comprometem o conforto dos usuários. / Several researchers have studied the use of reinforced concrete ribbed slabs in civil engineering structural systems that can be viable when the technical and economical point of view is considered. For this reason, a lot of papers were published in the last years based on the experimental and numerical analysis of this slab type. In this context, several slab systems were developed and the reinforced concrete ribbed slabs is present among them. This way, this dissertation investigated the static and dynamic structural behaviour of reinforced concrete ribbed slabs used in civil engineering structures. This research work investigated the dynamic response of reinforced concrete ribbed slabs when subjected to the human rhythmic activities, focusing human comfort criteria. The dynamic loads were obtained through experimental tests with individuals carrying out rhythmic activities corresponding to aerobics (stimulated activities). The computational models are developed based on usual mesh refinement techniques present in finite element method simulations (FEM), implemented in the ANSYS program. In this computational model the reinforced concrete ribbed slabs and beams are represented by shell elements. The numerical results, in terms of peak accelerations, are compared with recommended limits proposed by design codes, under the point of view of human comfort. The reinforced concrete ribbed slabs dynamic analysis indicated that the actions produced by human rhythmic activities could generate peak accelerations that surpass design criteria limits developed for ensuring human comfort. Hence it was observed that the acceleration in the models studied, can achieve high levels of vibration that compromise the comfort of users.

Nowadays, the pedestrian footbridges present greater slenderness and have been constructed with increasingly daring structures. This fact have generated very slender footbridges and consequently changed the serviceability and ultimate limit states associated to their design. Therefore, in this investigation, the walking loading was modelled based on a probabilistic approach, in order to describe the walking force in a given pedestrian population, aiming a human comfort analysis. The pedestrian walking dynamic action is modelled considering the random nature of the following parameters: pedestrian weight, step frequency and dynamic coefficients. The mathematical model is then applied to calculate the probability of having the structure dynamic response in a particular acceleration range. The investigated structural model is associated to a steel-concrete composite footbridge, built in the campus of the Institute of Traumatology and Orthopaedics (INTO), at the city of Rio de Janeiro, Brazil. Based on the use of probabilistic methods, it was possible to determine whether the footbridge peak accelerations exceed or not the human comfort criteria established in the design standards and recommendations. The results have indicated that the peak accelerations calculated based on the deterministic methods may be overestimated in some design situations / Passarelas de pedestres com arquitetura moderna, esbeltas e leves são uma constante nos dias atuais, apresentando grandes vãos e novos materiais. Este arrojo arquitetônico tem gerado inúmeros problemas de vibrações excessivas, especialmente sobre passarelas mistas (aço-concreto). As normas e recomendações de projeto consideram, ainda, que as forças induzidas pelo caminhar humano são determinísticas. Todavia, o caminhar humano e as respectivas forças dinâmicas geradas apresentam comportamento randômico. Deste modo, o presente trabalho de pesquisa objetiva contribuir com os projetistas estruturais, a partir do emprego de uma abordagem probabilística para avaliação do estado limite de utilização deste tipo de estrutura, associado a vibrações excessivas que podem vir a causar desconforto humano. Para tal, utiliza-se como modelo estrutural uma passarela de pedestres mista (aço-concreto) construída no campus do Instituto de Traumatologia e Ortopedia (INTO), na cidade do Rio de Janeiro. Com base na utilização dos métodos probabilísticos, torna-se possível determinar a probabilidade dos valores das acelerações de pico da estrutura ultrapassarem ou não os critérios de conforto humano estabelecidos em normas e recomendações de projeto. Os resultados apontam para o fato de que os valores das acelerações de pico calculadas com base exclusivamente nos métodos determinísticos podem ser superestimados em algumas situações de projeto.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5473.pdf: 3094891 bytes, checksum: 057207774d6a2325d5d17dd8ddc1fa38 (MD5) Previous issue date: 2013-07-26 / The ethanol (fuel grade and anhydrous) is, fundamentally, the most relevant global biofuel nowadays, in energy, environmental, economic and technological terms. This scenario brings up the Brazilian ethanol, made from sugarcane, a very studied topic. Thus, knowing the process of ethanol production from sugarcane in technical terms shows itself as a relevant fact, since it can contribute to the increase of production plants profits. Notoriously, the acquaintance and analysis of some project s economic viability can greatly optimize the intended returns, while it can be taken as tool for decision making. Therefore, the present work aimed, in the technical side, the improvement of the computational model (developed with EMSO software) capable of simulating ethanol plants (first and second generations 1G and 2G, respectively) by the input of realistic data, obtained from actual operating ethanol plants. In the economic aspect, the simulations production data were used to feed the economic viability analysis, using the IRR (internal return rate) and NPV (net present value) concepts. Thereby, three cases were considered: 1) plant producing 1G ethanol and electric energy surplus (plant A); 2) plant producing 1G and 2G ethanol, no electric energy surplus (plant B) and 3) plant producing 1G ethanol and: either 2G ethanol or electric energy surplus (plant C). One obtained the following: IRRA = 7.6% and NPVA = - USD 34,5M; IRRB = 8,3% and NPVB = - USD 30,0M; IRRC = 8,0% and NPVC = - USD 41,8M. So, from that, one concludes that the methodology, the software and the biorefinery model were useful and adequate for the projected analysis. In comparison with the minimum acceptable rate of return (MARR, 11% in this case), none of the scenarios were acceptable (IRRs < MARR), which is ratified by the negative NPVs (all). None of the simulated plants were considered economic viable, being plant B the most attractive among the three cases, under the given conditions and assumptions. / O etanol (carburante e anidro) é, fundamentalmente, o biocombustível de maior relevância global na atualidade, tanto em termos energéticos, ambientais, econômicos, como em termos tecnológicos. Neste panorama encontra-se o etanol brasileiro, oriundo da cana-deaçúcar, muito estudado na atualidade. Dessa maneira, conhecer o processo de sua obtenção, em termos técnicos, a partir da cana, mostra-se relevante, pois pode contribuir para a geração de expressivos ganhos econômicos para as unidades produtoras. Notoriamente, o conhecimento e análise da viabilidade econômica de um dado projeto pode otimizar sobremaneira os retornos pretendidos, ao passo que serve como ferramenta de aceitação ou rejeição do mesmo. Assim, o trabalho objetivou, no quesito técnico, o aperfeiçoamento da aderência de um modelo computacional, criado com software EMSO, simulador de plantas de etanol (primeira e segunda gerações 1G e 2G, respectivamente), através da inserção de dados realísticos advindos de plantas reais em operação. No lado econômico, utilizaram-se os dados de produção gerados pela simulação para alimentar uma análise de viabilidade econômica, através dos conceitos de TIR (taxa interna de retorno) e VPL (valor presente líquido). Portanto, três casos foram estudados: 1) planta produtora de etanol 1G e cogeradora de energia elétrica excedente (planta A); 2) planta produtora de etanol 1G e 2G, sem cogeração excedente (planta B) e 3) planta produtora de etanol 1G e: ou etanol 2G ou energia elétrica cogerada (planta C). Obtiveram-se: TIRA = 7,6% e VPLA = - USD 34,5M; TIRB = 8,3% e VPLB = - USD 30,0M; TIRC = 8,0% e VPLC = - USD 41,8M. Concluiu-se que metodologia, o software e o modelo de biorrefinaria adotados foram úteis e adequados para a análise pretendida. Comparando-se com a TMA (taxa mínima de atratividade) (11%) utilizada, todos os projetos são inviáveis (TIRs < TMA), o que é corroborado pelos VPLs serem, todos, negativos. Nenhuma das plantas simuladas mostrou-se economicamente viável, sendo a planta B a mais atrativa entre as três, sob as premissas e condições adotadas.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5893.pdf: 957671 bytes, checksum: e4262a8881b2b32139eed237de0471ba (MD5) Previous issue date: 2014-03-24 / Financiadora de Estudos e Projetos / Most of the operations in an autonomous distillery for production of ethanol are carried on in a continuous fashion. The fermentation stage, however, may be projected to work either continously or semicontinuously. The steady-sate continuous operation (after the start-up) may be easily coupled to other unit operations of the process. On the other hand, in the semicountinuous operation, each fermentation vat operates in unsteady state, thus it is necessary to design a set of vats that enables the coupling between the fermentation and the process, which may be challenging. This study intended to implement mathematical models in EMSO process simulator of both industrial configurations of the fermentation process: a system of six parallel fed-batch bioreactors and a system of four continuous steady-state bioreactors in series. The process was modeled at macroscopic level based on the material balances for cells, substrate and product. Kinectic models accounting for product and substrate inhibition were used. Both configurations were added to a previously built model of a complete autonomous distillery in which the fermentation stage was represented by a stoichiometric conversion model. In the fed-batch process, due to the solution of mass and energy balances in the fermenters, it was possible to observe the temporal evolution of variables such as the concentrations of yeast, sugar and ethanol in their interiors, the volume of solution in each fermenter and the rate of heat removal needed in order to keep the fermenters temperatures constant. The simulated autonomous distillery processes 500 t/h of cane with varying levels of sucrose. For a content of 13% sucrose, 338.0 t/h of centrifugated wine were obtained in the continuous operation, containing 8.3% by weight of ethanol, which resulted in the production of 30.1 t/h of hydrate ethanol containing 93.5% ethyl alcohol in weight. In fed-batch operation, 417.5 t/h of centrifugated wine (6.3% ethanol by weight), which resulted in 27.9 t/h of hydrous ethanol (93.5% by mass). In both configurations, simulations were performed to evaluate the influence of the sucrose content in the process input (11 to 15% by weight of sucrose) over the process response. The results of these simulations were compared to those obtained for the model of stoichiometric conversion under the same conditions. Regarding the three evaluated configurations for the fermentation stage, it was observed that the model of stoichiometric conversion can be properly employed in the simulations, being mostly suitable for optimization studies of the autonomous distillery with semicontinuous operation due to its fast convergence. However, it is worth mentioning that the inhibitory effects are not reproduced in the fermentation step for this model, thus preliminary studies should be performed using the mathematical model implemented in continuous or discontinuous configuration. / Na produção de etanol a maioria das operações realizadas em uma destilaria autônoma e conduzida de forma continua. A etapa de fermentação, contudo, pode ser projetada para operar de forma continua ou semi-contínua. A operação continua em estado estacionário (após a partida do processo) pode ser facilmente acoplada as outras operações unitarias do processo. Por outro lado, na operação semi-contínua, cada dorna de fermentação opera em estado não estacionário, havendo a necessidade de se projetar um conjunto de dornas para que a etapa de fermentação seja acoplada ao processo, o que pode ser complicado. Este trabalho teve como objetivo implementar no simulador de processos EMSO modelos matemáticos das duas configurações industriais da etapa de fermentação: um sistema de fermentação composto por seis biorreatores em que cada dorna opera no modo batelada alimentada e um sistema composto por quatro biorreatores em serie operados em regime permanente. O processo foi modelado em nível macroscópico com base nas equações de balanço material para células, substrato e produto. Modelos cinéticos que levam em consideração inibição pelo substrato e pelo produto foram utilizados. As duas configurações foram adicionadas a um modelo de destilaria autônoma desenvolvido previamente no simulador EMSO, no qual a etapa de fermentação era representada por modelo baseado na conversão estequiométrica. No processo descontinuo, a solução dos balanços de massa e energia nos fermentadores tornaram possível observar a evolução temporal dos valores de variáveis como as concentrações de levedura, açúcar e etanol em seus interiores, o volume de solução nos fermentadores e a taxa de remoção de calor necessária para manter suas temperaturas constantes. A destilaria autônoma simulada processa 500 t/h de cana-de-açúcar com teores de sacarose variáveis. Para um teor de 13% de sacarose, foram obtidos 338,0 t/h de vinho delevedurado na operação continua com 8,3% em massa de etanol, que resultaram na produção de 30,1 t/h de etanol hidratado com 93,5% de álcool etílico em massa. Na operação descontinua foram obtidos 417,5 t/h de vinho delevedurado (6,3% de etanol em massa), que resultaram em 27,9 t/h de etanol hidratado (93,5% em massa). Nas duas configurações implementadas foram realizadas simulações para avaliar a influencia do teor de sacarose (11 a 15% em massa de sacarose) na entrada do processo na resposta do processo. Os resultados dessas simulações foram comparados vi com os obtidos para o modelo de conversão estequiométrica nas mesmas condições. Em relação as três configurações avaliadas na etapa de fermentação concluiu-se que o modelo de conversão estequiométrica pode ser empregado nas simulações, sendo principalmente indicado para estudos de otimização da destilaria autônoma com operação semi-contínua, pois tem convergência mais rápida. Contudo, vale lembrar que os efeitos de inibição não são reproduzidos na etapa de fermentação por este modelo, devendo estudos preliminares serem realizados empregando o modelo matemático implementado na configuração continua ou descontinua.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:00:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5189.pdf: 10234508 bytes, checksum: b1ae9d8e78886d10e3f19be65697c9ca (MD5) Previous issue date: 2013-04-22 / Financiadora de Estudos e Projetos / Noise pollution in urban environment is a constant in several Brazilian cities and it is pointed out by the World Health Organization as one of the most common environmental problems in cities, influencing the quality of life and degrading the environment. Nowadays, ways of mitigating the acoustical environment of houses, buildings, industries and other constructions are studied to insulate them from the external surroundings, but the costs of this insulation is still very high. As a consequence, the external environment is usually neglected and the sound is intensified, being too difficult to control and directly affecting the internal environments. In this context, aiming the prevention of sound impacts and the diagnosis of noise conflict areas to adopt corrective actions, a noise mapping is an important tool to help urban planning. The noise mapping by data collection in locus or by mathematical models are though time consuming. An alternative to this are the computational programs, which simulate the urban acoustical environment based on calculation models. Many countries adopt their own model and, in the European case, the Directive 2002/49/EC of the European Parliament and Council recommend the application of the French model NMPB Routes-2008. Verifying the applicability of this model in the Brazilian case, this research aims to validate the behavior of the French model (NMPB Routes- 2008). In order to do so, the computational program Cadna-A was applied, and the following methodological process was adopted: data collection, application of the calculation model, comparison between collected data and modeling data; model validation and calibration; and, development of a noise mapping to a preliminary area of the studied city. The final results indicate that among the simulations developed, the one presenting the most precise outputs corresponded to the one for which the equivalent sound pressure level was applied as the input of sound source. / A poluição sonora no meio urbano tem sido uma constante em muitas cidades brasileiras e é apontada pela Organização Mundial da Saúde como um dos problemas ambientais mais comuns nas cidades, afetando a qualidade de vida e degradando o meio ambiente. Nesse contexto, com intuito de prevenir impactos sonoros e diagnosticar áreas com conflitos acústicos já existentes para poder tomar medidas corretivas, o mapeamento sonoro é uma ferramenta de grande auxílio para o planejamento urbano. No entanto, os mapeamentos através de medições in loco ou através dos cálculos de modelos matemáticos manuais, além de demorados, são também dispendiosos. Uma alternativa para isso são os programas computacionais que simulam o ambiente acústico urbano com base em modelos de cálculos. Muitos países adotam seu próprio modelo e, no caso europeu, a Directiva 2002/49/EC pelo Parlamento Europeu e o Conselho recomenda a aplicação do modelo francês NMPB Routes-2008. Verificando a aplicabilidade desse mesmo modelo ao caso brasileiro, essa pesquisa tem por objetivo validar o comportamento do modelo de cálculo francês (NMPB Routes-2008) de previsão acústica para o caso específico da cidade de São Carlos, SP. Para isso foi aplicado o programa computacional Cadna-A e adotaram-se os seguintes procedimentos metodológicos: levantamento de dados; aplicação do modelo de cálculo estudado; análise de sensibilidade de cada parâmetro do modelo, comparação entre dados simulados e dados levantados com objetivo de validar o modelo; e desenvolvimento de um mapeamento sonoro preliminar para uma fração urbana da cidade de estudo. Os resultados finais indicaram que entre as simulações realizadas, aquela que apresentou mais precisão nos resultados correspondeu àquela para a qual o nível de pressão sonora equivalente foi utilizado como dado de entrada para a fonte sonora.