O reator anaeróbio em batelada seqüencial é constituído por um frasco de vidro cilíndrico de volume total de cinco litros, envolvido por uma camisa de vidro, por onde escoa a água aquecida, permitindo a operação em temperatura controlada. A biomassa encontra-se imobilizada em partículas cúbicas de espuma de poliuretano (densidade aparente de 23 kg/\'M POT.3\', as quais estão colocadas em um cesto adaptado dentro do frasco cilíndrico. A mistura é promovida por três impelidores de 3,0 cm de diâmetro, distanciados 4,0 cm um do outro, situados ao longo do eixo vertical no centro do reator. O desempenho dessa nova configuração de reator anaeróbio foi avaliado sob diferentes condições os efeitos de transferência de massa nas fases sólida e líquida. Todos os ensaios foram efetuados à temperatura de 30 ± 1 grau Celsius. Cada batelada compreende três etapas: alimentação, reação e descarga. Para avaliar os efeitos da transferência de massa na fase sólida foram feitos quatro ensaios utilizando-se partículas cúbicas de espumas de poliuretano com tamanhos de 0,5 cm; 1,0 cm; 2,0 cm e 3,0 cm de lado, com impelidor tipo hélice e intensidade de agitação de 500 rpm, determinada através de um ensaio preliminar. Para avaliar os efeitos da transferência de massa nas fases sólida e líquida foram feitos experimentos com quatro tipos de impelidores: hélice, turbina plana, turbina inclinada e turbina curva, com intensidades de agitação na faixa de 100 rpm a 1100 rpm. Também foram realizados ensaios hidrodinâmicos para verificar o tempo de mistura e ensaio para verificar a condição de anaerobiose no sistema. A água residuária utilizada em todos os ensaios foi sintética com concentração de 530 ± 37 mg DQO/L. Em todas as condições estudadas o reator apresentou boa eficiência de remoção da matéria orgânica, em torno de 87%. A concentração efluente de ácidos voláteis totais manteve-se em 13 ± 9 mg HAc/L, alcalinidade a bicarbonato de 223 ± 14 mg Ca\'CO IND.3\'/L e pH entre 6,7 e 7,2. A transferência de massa na fase sólida não foi a etapa limitante na conversão da matéria orgânica, quando partículas de 0,5 cm a 2,0 cm de aresta foram usadas no reator anaeróbio em batelada seqüencial. A resistência à transferência de massa na fase sólida somente influenciou a taxa global de reação, quando foram usados tamanhos de partículas cúbicas de 3,0 cm de aresta. A resistência à transferência de massa na fase líquida não foi somente afetada pela intensidade de agitação, mas também pela eficiência da mistura obtida por cada tipo de impelidor. A mistura do líquido dentro do reator obtida pelo impelidor turbina plana foi a mais eficiente. O uso deste tipo de impelidor resultou em menores consumos de energia e ótimo desempenho do reator com baixas taxas de agitação. Os resultados deste estudo permitiram concluir que esta nova configuração não permite a manutenção de condição de anaerobiose estrita no meio, principalmente quando altas intensidades de agitação foram aplicadas e as limitações da eficiência do processo, neste sistema, estão relacionadas principalmente as resistências à transferência de massa do que restrições cinéticas bioquímicas. / The bench-scale anaerobic sequencing batch reactor consisted of a cylindrical glass flask with a total capacity of 5 liters. The reactor was surrounded by a water jacket that allowed the operation to proceed at a constant temperature throughout the experiment. The biomass was immobilized in 5-mm cubic particles of polyurethane foam (apparent density of 23 kg/\'M POT.3\') placed in a basket inside the cylindrical flask. The mixing was provided by three mechanical impellers with diameters of 3 cm, placed 4 cm apart along a vertical axis, at the center of the reactor. All experiments were conducted at the temperature of 30 Celsius degrees. Each batch consisted of three steps: feed, react and liquid withdrawal. The performance of this new reactor configuration was evaluated under different conditions of solid and liquid-phase mass transfer. In order to evaluate the effects of the solid-phase mass transfer, four experiments were carried out with cubical polyurethane foam particles of 0.5 cm, 1.0 cm, 2.0, cm and 3.0 cm side, and with propeller impellers rotating at 500 rpm, achieved by preliminary experiment. The effects of the liquid-phase mass transfer were evaluated through four experiments with four types of impellers: propeller, flat-blade, pitched-blade and curved-blade turbines, at agitation rates from 100 rpm and 1100 rpm. A hydrodynamic test was also carried out in order to verify the mixing time, energy consumption and occurrence of strict anaerobic activity in system. A low-strength synthetic substrate was used in all the experiments with a mean chemical oxygen demand (COD) of 530 ± 37 mg DQO/L. The influence of the solid and liquid-phase mass transfer on the reactor\'s performance was assessed by measuring COD temporal profiles along batch cycles. In all conditions studied the reactor achieved good efficiency, with mean removal of organic matter (COD) of 87%. The effluent mean TVA concentration was 13 ± 9 mg HAc/L, bicarbonate alkalinity was 223 ± 14 mg Ca\'CO IND.3\'/L and the pH values ranged from 6,7 e 7,2. The solid-phase mass transfer was not the limiting step in the organic matter conversion when 0.5 to 2.0-cm side bioparticles were used in the anaerobic sequencing batch reactor. Solid-phase mass transfer resistance only influenced the overall reaction rate when 3.0-cm cubic bioparticles were used. The liquid-phase mass transfer resistance was affected both by agitation and by efficiency of mixture provided by each type of impeller. Among the impellers assayed, the flat-blade one was the most efficient in providing the required mixing conditions. The use of this type impeller resulted in small energy consumption and excellent performance of the reactor with low agitation rate (N = 300 rpm). The results of this study also indicated that this new configuration did not provide conditions for the establishment of strict anaerobic conditions, mainly when high agitation rates were used. Anaerobic process efficiency limitations in this system were mainly related to mass transfer resistances rather than biochemical kinetic restrictions.

Fundamentado na mecânica da fratura, o conceito do Leak-Before-Break (LBB) \"Vazamento Antes da Falha\" considera que um vazamento proveniente de uma trinca pode ser detectado antes de alcançar um tamanho crítico que implique na falha da tubulação, ou seja, a análise do LBB demostra através de uma justificativa técnica que a probabilidade de ruptura da tubulação é extremamente baixa. Dentre os aspectos que envolvem a aplicação do LBB, os principais são: a definição das propriedades do material, que são extraídos através de ensaios à tração e à fratura; a análise do vazamento, que determina a taxa de vazamento devido à presença de uma trinca passante; e a análise que verifica se a trinca é estável considerando os modos de falha por rasgamento dúctil e por colapso plástico. Os materiais SA-508 Cl. 3, SA-106 Gr. B e SA-376-TP304 foram avaliados quanto aos seus desempenhos para o LBB. Utilizaram-se dados extraídos de casos da literatura para as propriedades dos materiais, e para a geometria e carregamentos da tubulação, todos correspondentes ao circuito primário de um reator PWR. Após aplicação do LBB, constatou-se que todos os três materiais atenderam os limites do estabelecidos na metodologia. Verificou-se que os materiais SA-508 Cl. 3 e SA-376-TP304 mostraram o melhor desempenho para falha por rasgamento dúctil e falha por colapso plástico, respectivamente, e o material SA-106 Gr. B teve o menor desempenho em ambos. Todos os três materiais apresentaram o colapso plástico como modo de falha mais provável. De uma forma generalizada, o material SA-376-TP304 obteve o melhor desempenho para o LBB dentre os três materiais avaliados neste trabalho. / Based on the fracture mechanics, the Leak-Before-Break (LBB) concept considers that a leakage from a crack can be detected before reaching a critical size that implies the pipe failure, that is, the LBB analysis demonstrates through a technical justification that the probability of pipe rupture is extremely low. Among the aspects that involve the application of LBB, the main ones are: the definition of the material properties, which are obtained through tensile and fracture tests; the leakage analysis, which determines the rate of leakage due to the presence of a through-wall crack; and the analysis that verifies if the crack is stable considering the failure modes by ductile tearing and plastic collapse. The materials SA-508 Cl. 3, SA-106 Gr. B and SA-376-TP304 were evaluated in relation to their performances for LBB. Data obtained from literature cases were used for the materials properties, and for the geometry and loadings of the pipe, all corresponding to the primary circuit of a PWR reactor. After application of the LBB, it was verified that all three materials met the limits established in the methodology. The materials SA-508 Cl. 3 and SA-376-TP304 showed the best performance for ductile tearing failure and plastic collapse failure, respectively, and the material SA-106 Gr. B material had the lowest performance in both. All three materials presented plastic collapse as the most likely failure mode. In general, the material SA-376-TP304 obtained the best performance for the LBB among the three materials evaluated in this work.

As energias limpas têm contribuído para o aumento de investimento e pesquisas em energia nuclear na última década. No entanto, as ocorrências dos acidentes nucleares ao longo da história ainda geram insegurança para a população em geral. Os órgãos reguladores têm aumentado as exigências de segurança em plantas nucleares e, devido a isto, vêm fazendo esforços na realização de simulações numéricas com programas computacionais de análise de acidentes em instalações nucleares, com a finalidade de garantir a segurança da planta e da população do entorno, antes mesmo de sua construção. No Brasil, para atender as exigências do órgão regulador brasileiro, a administradora dos reatores nucleares nacionais deve apresentar um estudo termo-hidráulico na área de análise de acidentes e transientes operacionais para as instalações nucleares. Isto é feito com a finalidade de licenciar as plantas nucleares, utilizando ferramentas computacionais apropriadas, tais como o código RELAP5. Esse programa computacional é muito eficiente na simulação de acidentes em usinas nucleares, mas não é muito amigável quanto à inserção de seus dados de entrada. Essa dificuldade motivou o desenvolvimento de pré-processadores para auxiliar a preparação dos dados geométricos de plantas nucleares, que é uma parte dos dados de entrada para o código RELAP5. Além disso, antes de iniciar o uso dessas ferramentas computacionais, faz-se necessário que o usuário monte uma nodalização ou modelagem do problema, de forma a representar mais adequadamente a planta e a fenomenologia envolvida durante um acidente ou transiente, sendo que ambas sejam adequadamente atendidas pela ferramenta. O objetivo desse trabalho foi o de criar um pré-processador capaz de auxiliar o usuário na tarefa de preparar os dados de entrada para o código RELAP5 e, também, de auxiliá-lo na elaboração da nodalização necessária para representar de forma mais real possível a planta em estudo. O pré-processador desenvolvido nesse trabalho é gráfico, visual e amigável, de forma a permitir que o usuário inicie a nodalização com o uso desta ferramenta, integrando assim as etapas de modelagem e preparação dos dados de entrada para o código RELAP5 em uma única fase, reduzindo assim, os esforços necessários para a sua realização, otimizando o tempo gasto. Para atingir esse objetivo, foi utilizado como plataforma de desenvolvimento o MS Excel®, uma ferramenta de planilha de cálculo eletrônica largamente utilizada, e foi construído para ele um complemento por meio da linguagem C# e da plataforma .NET. E através desta linguagem, seus recursos de orientação a objetos e total integração com a ferramenta MS Excel®, como Interop e Visual Studio Tools for Office (VSTO) integrados, foi possível um desenvolvimento mais rápido de uma ferramenta eficiente para essa finalidade, fazendo uso de recursos que não estariam disponíveis por meio do VBA (Visual Basic for Applications). O pré-processador desenvolvido nesse trabalho permite a criação da nodalização de um problema termo-hidráulico, onde os componentes hidrodinâmicos são desenhados por meio da automação de AutoShapes do MS Excel® e os dados de entrada desses componentes são alimentados por meio de caixas de diálogo amigáveis e funcionais. Uma vez que o pré-processador foi criado como um complemento para MS Excel®, as linhas de programação do pré-processador criado não ficam restritas a uma única planilha, facilitando sua atualização e redistribuição. O resultado obtido por meio desse trabalho foi o FastLAP, um pré-processador para RELAP5 visual, robusto e amigável. Por meio do FastLAP, criado nesse trabalho, reduziu-se o esforço do usuário do código RELAP5 tanto no preparo da nodalização como no preparo dos dados de entrada para o código, uma vez que a ferramenta é amigável e exibe tanto os nomes das propriedades conforme definidos pelo código RELAP5, bem como os nomes das grandezas físicas reais que estão sendo representadas. O pré-processador foi testado na elaboração da nodalização e dos dados de entrada do RELAP5 para um problema experimental encontrado na literatura e mostrou-se uma poderosa ferramenta gráfica, ajudando os usuários do RELAP5 a organizar visualmente os dados de entrada e oferecendo condições para analisar os resultados mais rapidamente. Esse trabalho criou não somente uma nova ferramenta de apoio para o usuário RELAP5, mas sim uma nova abordagem para a simulação de acidentes termo-hidráulicos com o código, fundindo as duas etapas: de nodalização e preparação dos dados de entrada. / Clean energy has contributed to increased investment and research in nuclear power in the last decade. However, the occurrence of nuclear accidents throughout history still causes the population to feel unsafe. Regulatory agencies have increased the safety requirements in nuclear plants and due to this they have been making efforts to carry out numerical simulations with computing programs for the analysis of accidents in nuclear installations to assure the safety for the plant and the surrounding population, even before its construction. In Brazil, in order to meet the requirements of the Brazilian regulatory agency, the administrator of the national nuclear reactors must present a thermo-hydraulic study in the area of accident analysis and operational transients for nuclear installations. This is done in order to license nuclear plants, using appropriate computational tools, such as the RELAP5 code. This computing program is very efficient in simulation of accidents in nuclear power plants, but it is not very friendly on entering its input data. This issue has motivated the development of preprocessors to assist the preparation of geometric data from nuclear plants, which is part of the input data for the RELAP5 code. In addition, before starting to use these computing tools, the user needs to assemble a nodal or modeling of the problem to better represent the plant and the phenomenology involved during an accident or transient in order to allow both to be properly simulated by the tool. The aim of this work was to create a preprocessor capable of leveraging user on input data preparation for the RELAP5 code as well as assisting him in the creation of the nodalization diagram required to get the best representation as real as possible of the power plant being studied. The preprocessor developed in this work is graphical, visual and user-friendly in order to allow the user to begin the nodalization by using this tool, thus integrating the steps of modeling and preparing the input data for the RELAP5 code in a single phase, and also reducing the efforts needed to achieve it, reducing the time spent in this task. To achieve this goal, MS Excel® a widely used electronic spreadsheet tool was used as a development platform, and a MS-Excel® add-in was built with the C # language and the .NET platform. With the use of this programming language, its object-oriented features and full integration with the MS Excel® tool, thru Interop and Visual Studio Tools for Office (VSTO), it was possible to achieve a faster development of an efficient tool for this purpose, making use of features that would not be available through the Visual Basic for Application (VBA). The preprocessor developed in this work allows the building of the nodalization of a thermo-hydraulic problem, where the hydrodynamic components are designed through the automation of MS Excel® AutoShapes, and the input data of these components are inputted thru friendly and functional interfaces. Once the preprocessor was created as a MS Excel® add-in, the programming lines created are not restricted to a single worksheet, which makes it easier to be updated and redistributed. The result of this work is FastLAP, a RELAP5 Preprocessor, which reduces the user\'s effort in both preparing the nodalization and preparing the input data for RELAP5 code, once the tool is user-friendly and displays both the names of the properties as defined by the RELAP5 code and the names of the actual physical amounts being represented. The preprocessor was tested in the elaboration of the input data for RELAP5 regarding an experimental problem found in the literature and has proven to be a powerful graphical tool, helping RELAP5 users to visually organize the input data and giving conditions for a faster analysis of results. This work created not only a new aid tool for the RELAP5 users, but also a brand-new approach for the simulation of thermo-hydraulic accidents with the code, merging two phases: nodalization and preparation of the input data.

A banana (Musa spp.) está entre as culturas mais abundantes no mundo, e devido ao seu descarte, desde a colheita até a sua comercialização gera-se grande quantidade de resíduos sólidos. Neste cenário, buscou-se avaliar o potencial uso do resíduo de banana (RB) como substrato e fonte de bactérias fermentativas para produção de H2 e metabólitos solúveis. Obteve-se a partir da fermentação natural do RB biomassa autóctone produtora de H2 sem necessidade do uso de fonte exógena de bactérias e custo adicional de fontes de carbono. Nesse consórcio foram identificadas bactérias semelhantes a Lactobacillus e Clostridium. Ensaios em reatores em batelada foram conduzidos para seleção do meio de cultivo (BAC, Noparati e PCS), das variáveis independentes (pH, temperatura, concentração do substrato, headspace e inóculo), seguido do delineamento composto central rotacional (DCCR) para otimização da produção de hidrogênio. Verificou-se que as condições nutricionais do meio PCS (extrato de levedura, peptona, NaCl e CaCO3) e RB resultaram na produção (P) e rendimento (YH2) máximo de 15,05 mL e 10,03 mL H2.g-1 CT (carboidratos totais), respectivamente. Em relação às variáveis independentes (pH, temperatura, concentração de substrato, volume do headspace e porcentagem de inóculo) obteve-se maiores valores de P e velocidade de produção (Rm) de H2 de 38,08 mL e 3,07 mL.h-1, respectivamente, em pH 7,5, 15 g.L-1, 44ºC, 40% de headspace e 15% inóculo. Em relação às variáveis estatisticamente significativas (pH e temperatura) via realização do DCCR observou-se que o aumento do pH (de 5,09 para 7,5) favoreceu, tanto P, quanto Rm, todavia, maior temperatura (de 27,1 para 46,9ºC) associada ao menor pH (<6,5) foram condições desfavoráveis para esses parâmetros. Por outro lado, obteve-se redução do tempo de início de produção de hidrogênio (&#955;H2) para maior temperatura (44-46,9ºC) associada ao menor pH (5,5) As condições operacionais ótimas estimadas via modelo foram em pH 7,0 e 37ºC, obtendo-se 70,09 mL H2, 12,43 mL H2.h-1 e 93 mL.g-1 CT, para P, Rm e YH2, respectivamente. Bacilllus sp. isolada do RB cresceu em variedade de substratos (glicose, xilose, manose, galactose, frutose, maltose, celobiose, sacarose, amido e RB), e 71 mL H2 foi obtido em 5 g.L-1 de RB, pH 7 a 37ºC. Em todos os ensaios em reatores em batelada, independentemente das condições operacionais, verificou-se que as principais vias metabólicas foram do ácido acético butírico e ácido lático, principalmente com glicose e frutose como fonte de carbono. A acidificação dos reatores resultou na diminuição do pH inicial para valores <4,0 favorecendo a rota solventogênica. Na biomassa fermentativa autóctone e aquela dos reatores em batelada foi possível inferir sobre elevado potencial metabólico, devido a identificação de genes relacionados com enzimas do metabolismo de carboidratos. / Banana (Musa spp.) is among the most abundant crops in the world and, due to its discard, great quantity of solid waste is generated from the harvest until its commercialization. In this scenario, the potential use of banana residue (RB) as substrate and source of fermentative bacteria for the production of H2 and soluble metabolites was evaluated. It was obtained from RB natural fermentation native autochthonous H2-producing biomass without the need to use exogenous source of bacteria and additional costs from carbon sources. In this consortium, bacteria similar to Lactobacillus and Clostridium were identified. Batch reactor experiments were conducted to select culture medium (BAC, Noparati and PCS) and independent variables (pH, temperature, substrate concentration, headspace and inoculum), followed by central composite rotatable design (CCRD) experiments for optimization of hydrogen production. It was verified that the nutritional conditions provided by PCS medium (yeast extract, peptone, NaCl and CaCO3) and RB resulted in the maximum production (P) and yield (YH2) of 15.05 mL and 10.03 mL H2 g-1 CT (total carbohydrates), respectively. Regarding the independent variables (pH, temperature, substrate concentration, headspace volume and percentage of inoculum), higher P and H2 production rate (Rm) were obtained (38.08 mL and 3.07 mL h-1, respectively) at pH 7.5, 15 g L-1 of substrate, 44 °C, 40% headspace and 15% inoculum. In relation to the statistically significant variables (pH and temperature), it was observed through CCRD that the increase in pH (from 5.09 to 7.5) favored both P and Rm, however, a higher temperature (from 27.1 to 46.9ºC) associated with lower pH (<6.5) were unfavorable conditions for these parameters. On the other hand, a reduction in the hydrogen production start time (H2) was obtained with higher temperature (44-46.9ºC) associated to lower pH (5.5). The optimum operational conditions, estimated by modeling, were pH 7.0 and 37 °C, yielding 70.09 mL H2, 12.43 mL H2 h-1 and 93 mL gCT-1 for P, Rm and YH2, respectively. Bacillus sp. isolated from RB grown on a variety of substrates (glucose, xylose, mannose, galactose, fructose, maltose, cellobiose, sucrose, starch and RB), and 71 mL H2 was obtained with 5 g L-1 RB, pH 7 at 37 °C. In all batch reactor experiments, regardless of operating conditions, the main metabolic pathways were acetic acid, butyric acid and lactic acid, mainly with glucose and fructose as carbon sources. Acidification of the reactors resulted in a decrease of the initial pH to values <4.0, favoring the solventogenic pathway. It was possible to infer about the high metabolic potential in the autochthonous fermentative biomass and in the biomass from the batch reactors due to the identification of genes related to enzymes of the carbohydrate metabolism.

O design de materiais na escala nanométrica está levando a sistemas com novas propriedades e aplicações as mais diversas, como em sistemas de diagnóstico e de tratamento inteligentes e sustentáveis. Melhorar a eficiência dos tratamentos de doenças através do desenvolvimento de fármacos mais eficientes e com menos efeitos colaterais, e agentes de contraste e de diagnóstico mais específicos e sensíveis para monitoramento preventivo precoce, é um dos principais objetivos da Nanomedicina. Todavia, a química de superfície necessária para realizar tais reações de funcionalização/conjugação de moléculas ainda está longe de ser adequadamente controlada, particularmente considerando-se a complexidade das biomoléculas e a estabilidade coloidal. Assim, nesta tese foram desenvolvidos processos de conjugação de nanopartículas de óxido de ferro (SPIONs) com um ou mais agentes co-funcionalizantes, gerando partículas mono, bi e multifuncionalizadas dispersáveis em meio aquoso. Os esforços foram concentrados no desenvolvimento de sistemas de diagnóstico e de entrega de fármacos baseados em nanopartículas, cujas propriedades precisam ser ajustadas pela conjugação de biomoléculas e espécies bioativas em sua superfície, num verdadeiro trabalho de engenharia a nível nanométrico/molecular. De fato, nanopartículas modificadas com moléculas co-funcionalizantes estabilizantes (glicerol-fosfato, glicose-fosfato, fosforiletanolamina, dopamina e tiron), agentes de vetorização que direcionam o nanoconjugado a células-alvo tumorais (ácido fólico e biotina), bem como com fármacos como metotrexato e ibuprofeno foram preparadas, e o efeito das mesmas sobre a eficiência de incorporação por células tumorais (HeLa e MCF-7) estudada. Os estudos de atividade biológica in vitro foram realizados em parceria com o Laboratório de Processos Fotoinduzidos e Interfaces (LPFI-IQUSP). Os resultadosobtidos confirmaram a possibilidade de se controlar a atividade biológica das nanopartículas por meio dos agentes funcionalizantes, abrindo perspectivas interessantes para o desenvolvimento de nanoagentes multifuncionais para teranóstica, conjugados com agentes de vetorização específicos (particularmente anticorpos e aptâmeros), além de agentes de contraste (radiofármacos, fluoróforos, contraste para IRM, etc.) e moléculas terapêuticas (antitumorais, anti-inflamatórios, dentre outros). Entretanto, diversos são os problemas associados aos processos químicos envolvendo a produção e funcionalização desses nanomateriais por processos convencionais em batelada, que tendem a ser demorados e apresentam dificuldade de controle dos parâmetros de reação e baixa reprodutibilidade, dificultando o escalonamento produtivo e a comercialização dos eventuais produtos. Uma estratégia promissora é o uso de reatores microfluídicos com projeto de canais adequado, além de atuadores e sensores que, juntos garantam excelente controle de processos e baixo consumo de energia e de reagentes. Assim, também foram desenvolvidos reatores microfluídicos para produção e funcionalização de nanopartículas de ouro, de forma a tornar os processos químicos programáveis, mais eficientes, controláveis e econômicos, em parceria com o Laboratório de Micromanufatura do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (LMI-BIONANO/IPT). Essa parte do desenvolvimento foi realizando empregando a tecnologia de microfabricação em Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC), uma tecnologia versátil que possibilita a produção de dispositivos de diferentes geometrias em materiais cerâmicos de baixa reatividade e de baixo custo. Esses dispositivos podem tornar os processos de produção de nanopartículas multifuncionais dispersáveis suficientemente simples, versáteis e reprodutíveis para atender aos altos padrões de qualidade exigidos para produtos voltados para aplicações biomédicas / Materials design at nanoscale is leading us to intelligent systems with new properties and applications, such as more efficient diagnostic and treatment systems. Improving the treatment of diseases by the development of more specific and efficient drugs, displaying fewer or no side effects, conjugated with sensitive contrast/diagnostic agents for early preventive monitoring and treatment is one of the main goals of the Nanomedicine. However, the knowledge on surface chemistry required to perform such molecular functionalization/conjugation reactions still is far from being adequately controlled, particularly considering the complexity of biomolecules and reaching colloidal stability. Thus, in this thesis, processes of conjugation of iron oxide nanoparticles (SPIONs) with one or more co-functionalizing agents have been developed so as to generate mono, bi and multi-particles dispersible in aqueous medium. Efforts were specifically focused on the development of drug delivery and diagnostic systems based on nanoparticles whose properties must be adjusted by the conjugation of biomolecules and bioactive species on their surface, in a truly nano/molecular scale engineering work. In fact, nanoparticles modified with stabilizing co-functionalizing molecules (glycerolphosphate, glucose-phosphate, phosphorylethanolamine, dopamine and tiron), targeting agents (folic acid and biotin) to guide itself and concentrate in specific tumor cells, as well as with drugs such as methotrexate and ibuprofen were prepared, and their effect on the efficiency of uptake by tumor cells (HeLa and MCF-7) studied. In vitro biological activity studies were performed in collaboration with the Laboratory of Photo Induced Processes and Interfaces (LPFI-IQUSP). The results confirmed the possibility of controlling the biological activity of nanoparticles by anchoring suitable functionalizing agents in an additive way, opening interesting new perspectives for the development ofmultifunctional theranostics nanoagents, conjugated with specific vectorization agents (particularly antibodies and aptamers), as well as diagnostic (radiopharmaceuticals, fluorophores, MRI contrast, etc.) and therapeutic agents (antitumor, anti-inflammatory, among others). However, there are several problems associated with the production and functionalization of these nanomaterials by conventional batch processes, which tend to be time consuming and difficult to control, as confirmed by their low reproducibility, making it difficult to produce and commercialize the eventual products. A promising strategy is the use of microfluidic reactors with suitable channel designs, as well as actuators and sensors that, together, ensure excellent process control and low energy and reagent consumption. Thus, microfluidic reactors were also developed for the production and functionalization of gold nanoparticles in order to make chemical processes more predictable, efficient, controllable and economical, in partnership with the Micromanufacturing Laboratory of the Institute of Technological Research (LMI-BIONANO/IPT). This part of the development was accomplished by employing the Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) microfabrication technology, a versatile technology that enables the production of devices of different geometries in ceramic materials of low reactivity and of low cost. These devices can make the production processes of dispersible multifunctional nanoparticles simple, versatile and reproducible enough to meet the high standards of quality required for products for biomedical applications

Neste trabalho estudou-se o processo de coplimerização em emulsão de estireno e acrilato de butila em processo semicontínuo onde o produto final é um látice com alto teor de sólidos. Foi realizada uma série de experimentos de copolimerização em emulsão em um reator de vidro, empregando receitas com teores de sólidos na faixa de 50 a 64% em massa. Foram estudados os seguintes fatores: teor de sólidos, teor de ácido acrílico, teor de emulsificantes e tempo de adição dos monômeros. Os efeitos estudados são avaliados principalmente em termos de conversão, diâmetro médio das partículas, concentração de partículas, número médio de radicais por partícula, taxa de polimerização, viscosidade e fração de coágulos. Também se avaliou a distribuição de tamanhos de partículas para o processo. Utilizando informações experimentais e da literatura, foi aplicado um modelo matemático para o processo, com razoável adequação aos dados experimentais. / The aim of this work was the study of the high solid contents emulsion copolymerization of styrene and butyl acrylate in semi-batch process. Copolymerization reactions were undertaken in a glass reactor, and recipes with solid contents up to 64 wt.% were used. Were evaluated the effects of: solid contents on recipe, amounts of acrylic acid and surfactants on recipe and monomer feeding time. The effects were evaluated in terms of conversion, particle mean diameter, and particle concentration, average number of radicals per particle, polymerization rate, viscosity and coagulum content. It was performed a characterization of the particle size distribution for this process. Using experimental observations and literature information, it was applied a mathematical model for this process, with satisfactory agreement with experimental data.

Sabe-se que as águas residuárias, contendo elevadas concentrações de lipídios, causam problemas às unidades convencionais de tratamento podendo gerar lodo altamente biodegradável e sistemas com baixos rendimentos na remoção da matéria orgânica. Com o intuito de estudar a possibilidade de se obter eficiências maiores de remoção de matéria orgânica no tratamento de águas residuárias com elevados teores de lipídios, empregou-se na presente pesquisa processo alternativo de tratamento denominado de sistema combinado, composto de um reator enzimático (R1) e de um reator de lodos ativados (R2). Visando realizar a pré-hidrólise dos lipídios afluentes, o reator enzimático, contendo a enzima lipase LIPOLASE 100T, imobilizada em suporte de polietileno, foi instalado antecedendo o reator de lodos ativados. Paralelamente, foi construída outra unidade de lodos ativados (Rc) similar a primeira, porém sem o reator enzimático acoplado, denominada sistema de controle, visando possibilitar a comparação dos resultados obtidos. A unidade experimental foi operada durante 94 dias, em regime contínuo com a temperatura em torno de 30ºC. Os reatores de lodos ativados, R2 e Rc, foram operados, cada, com TDH de 8 horas e vazão de 3,4 L/dia. As eficiências médias de remoção de DQO bruta obtidas foram respectivamente de 85% e 79% para os sistemas combinado e de controle. A eficiência média de remoção de óleos e graxas do sistema combinado foi de 91%, enquanto que para o sistema de controle a eficiência média foi de 84%. Assim, os resultados obtidos no presente trabalho, demonstraram que as vantagens obtidas com o emprego do sistema combinado proposto, sob as condições específicas da presente pesquisa, foram significativas. / The wastewaters containing high concentrations of lipids, cause problems to the conventional units of treatment being able to produce highly biodegradable sludge and systems with low organic matter removal. In order to study the possibility of obtaining high efficiencies of organic matter removal in the treatment of wastewater with high contents of lipids, it was used in the present research an alternative procedure of treatment named combined system, composed of an enzymatic reactor (R1) and an activated sludge reactor (R2). In order to achieve the pre-hydrolysis of the affluent lipids, the enzymatic reactor, containing the lipase enzyme LIPOLASE 100T immobilized in polyethylene support, was installed preceding the activated sludge. Parallely, it was built another unit of activated sludge (Rc) similar to the first, but without the enzymatic reactor coupled, named control system, in order to enable the comparisons of the results obtained. The experimental unit was operated during 94 d, in continuous operation, with the temperature around 30°C. The activated sludge reactors, R2 and Rc, were operated, respectively, with hydraulic time residence of 8 h and flow rate of 3,4 L/d. The average efficiencies of removal raw COD obtained were respectively, of 85% and 79% for the combined and control systems. The average efficiency of removal of oil and greases of the combined system was of 91%, while for the control system the average efficiency was of 84%. So, the results obtained in this present work, showed that the advantages obtained with the use of the proposed system, under the specific conditions of the present research, were significant.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um Simulador do Reator de Pesquisa IEAR1. O Simulador foi desenvolvido com Visual C++ em duas etapas: 1) construção dos modelos matemáticos e 2) criação e configuração de interfaces gráficas em um aplicativo Windows XP. Utilizou-se uma modelagem simplificada dos principais fenômenos físicos: o nuclear através de cinética pontual, e o modelo de térmica e hidráulica através das leis de conservação de massa e energia no canal médio do reator. As equações diferenciais dinâmicas dos processos nucleares, térmicos e hidráulicos foram solucionadas pela técnica de diferenças finitas através do método de Runge-Kutta de 4ª ordem. Foram modelados os sistemas: controle de reatividade, resfriamento do reator e proteção do reator. As variáveis de processo são armazenadas em arquivos ASCII. O Simulador permite o usuário navegar por interfaces gráficas dos sistemas e monitorar tendências dos transientes de operação sendo uma ferramenta interativa para ensino e treinamento de operadores do IEA-R1. Este também pode ser usado por alunos e professores no ensino de teoria de reatores, térmica e hidráulica. O Simulador permite simulações de operações de partida, manobra de potência e parada. / This work reports the development of a Simulator for the IEA-R1 Research Reactor. The Simulator was developed with Visual C++ in two stages: 1) construction of the mathematics models and 2) development and configuration of graphics interfaces in a Windows XP executable. A simplified modeling was used for main physics phenomena, using a point kinetics model for the nuclear process and the energy and mass conservation laws in the average channel of the reactor for the thermal hydraulic process. The dynamics differential equations were solved by using finite differences through the 4th order Runge- Kutta method. The reactivity control, reactor cooling, and reactor protection systems were also modeled. The process variables are stored in ASCII files. The Simulator allows navigating by screens of the systems and monitoring tendencies of the operational transients, being an interactive tool for teaching and training of IEA-R1 operators. It also can be used by students, professors, and researchers in teaching activities in reactor and thermal hydraulics theory. The Simulator allows simulations of operations of start up, power maneuver, and shut down.

Este estudo mostra o desenvolvimento de um controlador da classe MPC Model Predictive Control, ou controle preditivo com modelo, para ser utilizado no reator de amônia da Unidade de Fertilizantes Nitrogenados da Bahia FAFEN-BA, da PETROBRAS, localizada em Camaçari/BA. A estratégia de controle visa manter as temperaturas de saída de cada um dos leitos catalíticos do reator dentro de limites adequados através da manipulação das válvulas de controle instaladas na corrente de alimentação do equipamento. O controlador escolhido foi de horizonte de predição infinito com faixas nas variáveis controladas. Adicionalmente, o controlador contém, em uma única camada, um componente de otimização econômica com o objetivo de maximizar o teor de amônia na saída do reator. A função econômica que dá a direção de otimização consiste em um modelo rigoroso de estado estacionário do reator capaz de calcular a fração molar de amônia na saída do equipamento quando são conhecidas as condições da corrente de alimentação e o valor das variáveis manipuladas do controlador. Os resultados das simulações mostraram que o controlador proposto tem bom desempenho, tanto sob o aspecto de controle, no sentido de controlar o sistema quando este sofre perturbações, quanto sob a ótica de otimização econômica, maximizando a conversão de reagentes em amônia sempre que existem graus de liberdade disponíveis no sistema. Foi verificado que a consideração de um MPC de horizonte de predição infinito elimina a necessidade de considerar o gradiente reduzido da função econômica na função objetivo do controlador. Uma sintonia adequada do controlador permite que se considere o gradiente completo da função econômica sem que haja desvio permanente, ou offset, nas variáveis controladas mesmo quando o ponto ótimo de operação se encontra além da faixa de controle. / This study shows the development of a Model Predictive Control (MPC) to the ammonia reactor of PETROBRAS nitrogen fertilizers unit FAFEN-BA that is located in Camaçari/BA, Brazil. The main goal of the control strategy is to keep the temperature at the outlet of the catalyst beds inside adequate ranges by manipulating the feed flow rates to the reactor beds. It has been chosen an infinite horizon controller with control zones and an economic objective. The control and economic optimization are performed in a single layer structure where the objective is to maximize the ammonia content in the reactor outlet stream. The economic function which provides the optimization direction is based on a steady state rigorous model of the reactor that evaluates the ammonia molar fraction at the outlet stream assuming that the feed stream conditions and the manipulated variables are known. The proposed controller shows satisfactory performance in simulations either controlling the system when it faces external disturbances or optimizing the economic goal by increasing the ammonia conversion when degrees of freedom are available. It is shown that the adoption of the infinite horizon MPC eliminates the need to consider the reduced gradient of the economic function in the cost function of the controller. The proper tuning of the controller allows the consideration of the full gradient of economic function without producing offset in the controlled outputs even when the optimum operating point lays outside the control zones.

O Tecnécio-99m (99mTc), gerado a partir do decaimento do Molibdênio-99 (99Mo), é o radionuclídeo mais conveniente para a execução de procedimentos de diagnósticos médicos, devido à sua emissão gama bem característica e de fácil detecção. O método utilizado para produzir 99Mo é através da fissão do 235U incorporado nos chamados alvos de irradiação. Duas rotas estão sendo desenvolvidas para a produção do 99Mo por fissão para o Reator Multipropósito Brasileiro (RMB), ambas utilizando urânio de baixo enriquecimento (LEU): 1) A primeira a dissolução básica, que é baseada na tecnologia de alvos de dispersão UAlx-Al. 2) A segunda emprega a dissolução ácida de alvos de folhas finas de urânio metálico. A principal vantagem dos alvos de folha fina de urânio metálico sobre os alvos de dispersão UAlx-Al é a alta densidade do urânio metálico. Com o intuito de compreender e otimizar o processo de fabricação de alvos de folhas finas foi realizado um estudo da fusão do urânio metálico, laminação de folhas finas, caracterização microestrutural e montagem dos alvos, definindo assim, os procedimentos específicos para a produção desse tipo de alvo com as características dos alvos fabricados internacionalmente. Os resultados obtidos mostraram que o processo de fabricação dos lingotes e de lâminas de urânio metálico por meio de laminação a quente possibilitaram a obtenção de lâminas com espessura entre 250 e 300 &mu;m. O processo de laminação a frio possibilitou a obtenção de folhas finas com espessura de &plusmn;125 &mu;m que atende à especificação internacional. O uso de óxido de alumínio como material para prevenir caldeamento do tablete de urânio mostrou-se eficiente, substituindo com vantagens o uso de óxido de ítrio. A microestrutura após o tratamento térmico apresentou grãos equiaxiais pequenos, e a realização de um resfriamento rápido de 5 minutos após o tratamento térmico foi suficiente para se eliminar a textura da folha fina de urânio metálico. O processo de montagem das folhas finas no alvo tubular foi realizado por pré-conformação da folha fina, facilitando a montagem. O processo de consolidação do alvo foi realizado por expansão por tração e a folga após a consolidação (\"gap de ar\") mostrou-satisfatória. As dimensões finais dos alvos tubulares atenderam à especificação internacional. / Technetium-99m (99mTc) is generated from the decay of Molybdenum-99 (99Mo). This element is the most convenient radionuclide for application in medical diagnostic procedures, once that its gamma emission is well known and of easily detected. The method used to produce 99Mo is through fission of the 235U embedded in so-called irradiation targets. Two routes are being developed for the production of 99Mo per fission to the Brazilian Multipurpose Reactor (RMB), both using low enriched uranium (LEU): 1) The first basic dissolution, which is based on the technology of dispersion targets UAlx-Al. 2) The second employs the acidic dissolution of thin sheet targets of metallic uranium. The main advantage of uranium metal foil targets on the UAlx-Al dispersion targets is the high density of metallic uranium. In order to understand and optimize the process of manufacturing thin sheet targets, about the fusion of metallic uranium, thin sheet lamination, microstructural characterization and assembly of the target was carried out. Therefore the specific procedures for the production of this type of target with the characteristics of the targets manufactured internationally could be defined. The results showed that the process of manufacturing ingots and sheets of metallic uranium by hot rolling allows obtaining sheets with thickness between 250 and 300 &mu;m. The cold rolling process allows obtaining thin sheets with a thickness of &plusmn; 125 &mu;m which are in accordance with the international specification. The use of aluminum oxide as a material to prevent uranium tablet firing proved to be efficient, replacing with advantage the use of yttrium oxide. The microstructure after the heat treatment showed small equiaxial grains. A fast cooling of 5 minutes after the heat treatment was enough to eliminate the texture of the thin sheet of metallic uranium. The process of assembling the thin sheets in the tubular target was performed by preforming the thin sheet, facilitating the assembly. The process of consolidating the target was performed by tensile expansion and the clearance after consolidation (\"air gap\") was satisfactory. The final dimensions of the tubular targets have met the international specification.