Neste trabalho foram sintetizados ésteres etílicos do óleo de babaçu através da catálise alcalina em meio homogêneo. O planejamento de experimentos foi utilizado como ferramenta de otimização e também na identificação dos principais fatores que influenciam nas conversões em ésteres etílicos. As reações de transesterificação foram realizadas através de duas metodologias de processo - a tradicional com agitação mecânica e a promovida por ondas ultrassônicas. A espectrometria de ressonância magnética nuclear foi utilizada na quantificação das conversões de todos os experimentos e a análise termogravimétrica foi empregada na determinação da pureza dos ésteres etílicos e do principal subproduto da reação - o glicerol. Matrizes ortogonais de Taguchi foram utilizadas para o desenvolvimento deste estudo. Os fatores independentes avaliados na transesterificação tradicional foram: razão molar etanol/óleo, temperatura, turbulência, razão ponderal catalisador/óleo, tempo e os tipos de catalisadores mais comumente empregados (NaOH e KOH). Os ensaios envolvendo a transesterificação clássica foram realizados sob atmosfera de nitrogênio e também sob atmosfera normal. Com o método sonoquímico foram avaliados os fatores: razão molar, tempo, razão ponderal catalisador/óleo e tipo de catalisador. O delineamento experimental mostrou que o principal fator a influenciar nas conversões em ésteres etílicos com ambos os métodos é a razão molar. Destaca-se ainda na transesterificação alcalina tradicional, a influência das interações entre a temperatura e o tempo, mostrando que melhores conversões são obtidas com temperaturas próximas a ambiente (27 a 30ºC). De acordo com o modelo obtido através do delineamento experimental, conversões superiores a 99% são obtidas quando a razão estequiométrica é ajustada em 6:1, utilizando-se 1,0% de KOH, sob agitação mecânica a 400rpm durante 60min. A influência da atmosfera de nitrogênio mostrou-se pouco significativa para a reação e conversões semelhantes foram obtidas com atmosfera normal. A transesterificação alcalina assistida por ondas ultrassônicas apresentou os melhores resultados em relação ao tempo de reação e de separação entre as fases glicerínica e de ésteres etílicos. O modelo experimental mostrou que conversões superiores a 99% podem ser obtidas em 10 minutos ajustando as variáveis independentes nos seguintes valores: razão estequiométrica em 6:1 com 1,0% de KOH. Em ambos os métodos o catalisador KOH mostrou-se superior ao NaOH, especialmente durante as etapas de purificação. A estratégia de purificação dos ésteres etílicos adotada consistiu na utilização de um solvente (hexano) e lavagens com HCl 0,1 mol.L-1 que foi otimizada para 12,5% de solução em relação ao peso de ésteres obtidos, coletados logo após a separação de fases. O rendimento mássico obtido com o modelo experimental, após procedimentos de lavagens mencionados, foi de 94,59%. O trabalho demonstrou que o processo de obtenção de biodiesel de babaçu apresenta ótimos rendimentos desde que os parâmetros de reação sejam otimizados. A sonoquímica mostrou-se potencialmente promissora para obtenção de elevadas conversões em curtos intervalos de tempo. / In this work ethyl esters of babassu oil were synthesized by alkaline catalysis in homogeneous medium. The experimental design was used as a tool for optimization of the transesterification reaction and also in identifying key factors influencing the conversion into ethyl esters. The transesterification reactions were performed using two methods of process - the traditional mechanical agitation and agitation promoted by sound waves. The nuclear magnetic resonance spectroscopy was used to quantify the conversion of all reactions of transesterification and thermogravimetric analysis was used to determine the purity of ethyl esters and the main byproduct of the reaction - the glycerol. Taguchi orthogonal arrays were used to develop this study. The independent factors evaluated in the transesterification traditional were: molar ratio ethanol / oil, temperature, stirring speed, weight ratio catalyst / oil, time and the types of most commonly used catalysts (NaOH and KOH). The classical experiments involving the transesterification were performed under nitrogen atmosphere and also under normal atmosphere. With the sonochemical method were evaluated the following factors: molar ratio, time, weight ratio catalyst / oil and type of catalyst. The experiment showed that the main factor influencing the conversion into ethyl esters in both methods is the molar ratio. The best conversion results were obtained with twice the stoichiometric quantity. Also noteworthy in the traditional alkaline transesterification is the influence of interactions between temperature and time, showing that the best conversions are obtained with temperatures close to ambient (30°C) in 60 minutes. According to the model obtained by the experimental design, conversions above 99% are obtained when the stoichiometric ratio is set at 6:1, with 1.0% KOH, under stirring at 400 rpm. The influence of nitrogen atmosphere was less significant for the reaction and similar conversions were obtained with normal atmosphere. Alkaline transesterification assisted by sound waves produced the best results with respect to time of reaction and phase separation of glycerin and ethyl esters. The experimental model showed that conversions above 99% can be obtained in 10 minutes by adjusting the independent variables in the following values: in the stoichiometric ratio 6:1 with 1.0% KOH. In both methods the KOH catalyst was superior to NaOH, influence also noted during the purification steps. Experimentally it was found that the formation of emulsions and gels are more frequent with the use of the sodium hydroxide catalyst. The strategy for purification of ethyl esters adopted was the use of a solvent (hexane) and washing with HCl 0.1 mol.L- 1 that was optimized for 12.5% solution by weight of esters obtained, collected just after phase separation. The mass yield obtained with the experimental model, after washing procedures mentioned, was 94.59%. The study showed that the process of obtaining babassu biodiesel has good yields since the reaction parameters are optimized. The sonochemical proved to be potentially promising for achieving high yields in short time, which might be an excellent route for production aiming to meet the high market demands.

Neste trabalho foram sintetizados ésteres etílicos do óleo de babaçu através da catálise alcalina em meio homogêneo. O planejamento de experimentos foi utilizado como ferramenta de otimização e também na identificação dos principais fatores que influenciam nas conversões em ésteres etílicos. As reações de transesterificação foram realizadas através de duas metodologias de processo - a tradicional com agitação mecânica e a promovida por ondas ultrassônicas. A espectrometria de ressonância magnética nuclear foi utilizada na quantificação das conversões de todos os experimentos e a análise termogravimétrica foi empregada na determinação da pureza dos ésteres etílicos e do principal subproduto da reação - o glicerol. Matrizes ortogonais de Taguchi foram utilizadas para o desenvolvimento deste estudo. Os fatores independentes avaliados na transesterificação tradicional foram: razão molar etanol/óleo, temperatura, turbulência, razão ponderal catalisador/óleo, tempo e os tipos de catalisadores mais comumente empregados (NaOH e KOH). Os ensaios envolvendo a transesterificação clássica foram realizados sob atmosfera de nitrogênio e também sob atmosfera normal. Com o método sonoquímico foram avaliados os fatores: razão molar, tempo, razão ponderal catalisador/óleo e tipo de catalisador. O delineamento experimental mostrou que o principal fator a influenciar nas conversões em ésteres etílicos com ambos os métodos é a razão molar. Destaca-se ainda na transesterificação alcalina tradicional, a influência das interações entre a temperatura e o tempo, mostrando que melhores conversões são obtidas com temperaturas próximas a ambiente (27 a 30ºC). De acordo com o modelo obtido através do delineamento experimental, conversões superiores a 99% são obtidas quando a razão estequiométrica é ajustada em 6:1, utilizando-se 1,0% de KOH, sob agitação mecânica a 400rpm durante 60min. A influência da atmosfera de nitrogênio mostrou-se pouco significativa para a reação e conversões semelhantes foram obtidas com atmosfera normal. A transesterificação alcalina assistida por ondas ultrassônicas apresentou os melhores resultados em relação ao tempo de reação e de separação entre as fases glicerínica e de ésteres etílicos. O modelo experimental mostrou que conversões superiores a 99% podem ser obtidas em 10 minutos ajustando as variáveis independentes nos seguintes valores: razão estequiométrica em 6:1 com 1,0% de KOH. Em ambos os métodos o catalisador KOH mostrou-se superior ao NaOH, especialmente durante as etapas de purificação. A estratégia de purificação dos ésteres etílicos adotada consistiu na utilização de um solvente (hexano) e lavagens com HCl 0,1 mol.L-1 que foi otimizada para 12,5% de solução em relação ao peso de ésteres obtidos, coletados logo após a separação de fases. O rendimento mássico obtido com o modelo experimental, após procedimentos de lavagens mencionados, foi de 94,59%. O trabalho demonstrou que o processo de obtenção de biodiesel de babaçu apresenta ótimos rendimentos desde que os parâmetros de reação sejam otimizados. A sonoquímica mostrou-se potencialmente promissora para obtenção de elevadas conversões em curtos intervalos de tempo. / In this work ethyl esters of babassu oil were synthesized by alkaline catalysis in homogeneous medium. The experimental design was used as a tool for optimization of the transesterification reaction and also in identifying key factors influencing the conversion into ethyl esters. The transesterification reactions were performed using two methods of process - the traditional mechanical agitation and agitation promoted by sound waves. The nuclear magnetic resonance spectroscopy was used to quantify the conversion of all reactions of transesterification and thermogravimetric analysis was used to determine the purity of ethyl esters and the main byproduct of the reaction - the glycerol. Taguchi orthogonal arrays were used to develop this study. The independent factors evaluated in the transesterification traditional were: molar ratio ethanol / oil, temperature, stirring speed, weight ratio catalyst / oil, time and the types of most commonly used catalysts (NaOH and KOH). The classical experiments involving the transesterification were performed under nitrogen atmosphere and also under normal atmosphere. With the sonochemical method were evaluated the following factors: molar ratio, time, weight ratio catalyst / oil and type of catalyst. The experiment showed that the main factor influencing the conversion into ethyl esters in both methods is the molar ratio. The best conversion results were obtained with twice the stoichiometric quantity. Also noteworthy in the traditional alkaline transesterification is the influence of interactions between temperature and time, showing that the best conversions are obtained with temperatures close to ambient (30°C) in 60 minutes. According to the model obtained by the experimental design, conversions above 99% are obtained when the stoichiometric ratio is set at 6:1, with 1.0% KOH, under stirring at 400 rpm. The influence of nitrogen atmosphere was less significant for the reaction and similar conversions were obtained with normal atmosphere. Alkaline transesterification assisted by sound waves produced the best results with respect to time of reaction and phase separation of glycerin and ethyl esters. The experimental model showed that conversions above 99% can be obtained in 10 minutes by adjusting the independent variables in the following values: in the stoichiometric ratio 6:1 with 1.0% KOH. In both methods the KOH catalyst was superior to NaOH, influence also noted during the purification steps. Experimentally it was found that the formation of emulsions and gels are more frequent with the use of the sodium hydroxide catalyst. The strategy for purification of ethyl esters adopted was the use of a solvent (hexane) and washing with HCl 0.1 mol.L- 1 that was optimized for 12.5% solution by weight of esters obtained, collected just after phase separation. The mass yield obtained with the experimental model, after washing procedures mentioned, was 94.59%. The study showed that the process of obtaining babassu biodiesel has good yields since the reaction parameters are optimized. The sonochemical proved to be potentially promising for achieving high yields in short time, which might be an excellent route for production aiming to meet the high market demands.

Orientadores: Ana Maria Frattini Fileti, Galba Maria de Campos Takaki / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-06T21:06:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Albuquerque_ClarissaDaisydaCosta_D.pdf: 8871218 bytes, checksum: 55101c854d0f7293da9222f2518c7c15 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Entre as técnicas convencionais usadas para desenvolvimento de software sensores, redes neurais artificiais têm mostrado ser um instrumento poderoso em modelagem e controle de bioprocessos complexos. O objetivo geral do presente trabalho é o desenvolvimento de software sensores baseados em redes neurais para estimação e previsão em tempo real da concentração de biomassa e da atividade de emulsificação no processo de produção de bioemulsificante por Cândida lipolytica. Bioemulsificantes normalmente apresentam vantagens como biodegradabilidade, baixa toxicidade e biocompatibilidade em relação a emulsifícantes sintetizados quimicamente. Adicionalmente, eles apresentam potencial para serem sintetizados a partir de substratos de baixo custo e são normalmente efetivos em condições extremas de pH, temperatura e salinidade. Consequentemente, bioemulsificantes têm sido aplicados com sucesso em áreas como biorremediaçào e recuperação de óleos. Contudo, os bioemulsificantes não são ainda largamente empregados por conta do seu alto custo de produção, resultante primeiramente da baixa produtividade dos microrganismos empregados e do alto custo de recuperação. Entretanto, neste trabalho foi mostrado que o desenvolvimento de softsensores neurais juntamente com otimização de componentes de meio de produção e ampliação de escala do processo podem contribuir para tomar a produção de bioemulsificante mais eficiente e econômica. O modelo quadrático obtido na otimização dos componentes do meio usando planejamento composto central com três fatores e metodologia de superfície de resposta mostrou significância estatística e capacidade preditiva. A máxima atividade de emulsificação para emulsões água-em-hexadecano obtida foi de 4,415 UAE e as concentrações ótimas de uréia, sulfato de amónio e fosfato monobásico de potássio foram respectivamente iguais a 0,544 % (w/v), 2,131 % (w/v) and 2,628 % (w/v). O rendimento do processo foi otimizado em 272%. A ampliação do processo da escala de frascos para a escala de fermentador de bancada foi realizada com sucesso e os efeitos e interações da temperatura e velocidade de agitação sobre a atividade de emulsificação do bioemulsificante produzido por Cândida lipolytica foram investigados. Os conjuntos de dados necessários para o treinamento, validação e teste dos softsensores foram obtidos de experimentos de produção de bioemulsificante realizados em biorreator de 5L, sob diferentes condições de temperatura e agitação. Os conjuntos de treinamento, validação e teste dos softsensores foram suavizados e expandidos usando interpolação com spline cúbica. Várias topologias de redes neurais com uma camada escondida foram testadas. As variáveis de entrada do processo incluíram pH, oxigênio dissolvido, densidade ótica e salinidade do liquido metabólico livre de células. O algoritmo de treinamento usado foi o algoritmo de retropropagação baseado em Levenberg-Marquardt em conjunção com regularização bayesiana. A raiz do erro quadrático médio (RMSE) e o coeficiente de determinação global (Rg2) foram usados entre outros índices para comparar o desempenho dos modelos. Os resultados mostram que softsensores neurais fornecem estimação e previsão on-line de concentração de biomassa e de atividade de emulsificação dentro de uma variação aceitável de 5% dos valores experimentais. Coeficientes de determinação global superiores a 0,90 indicam o excelente ajuste dos modelos de redes neurais com os valores experimentais testados, obtidos para concentração de biomassa e atividade de emulsificação / Abstract: Among conventional techniques used for development of 'software sensors', artificial neural networks have showed to be a powerful tool for modelling and control of complex bioprocess. The present work deals with the development of neural network based software sensors for real time estimation and prediction of biomass concentration and emulsification activity in a bioemulsifier production process by Candida lipolytics Bioemulsifiers commonly have the advantages of biodégradation, low toxicity, and biocompability over chemically synthesized emulsifiers. In addition, they can potentially be synthesized from cheap subtrates and are commonly effective at extremes of pH, temperature, and salinity. As a result, bioemulsifiers have found successful application in areas such as bioremediation and oil recovery. However, bioemulsifiers are not widely available because of their high production costs, which results primarily from low strain productivities and high recovery expenses. Therefore, in this work was showed that on-iine neural softsensor development jointly with media optimization and scale up of the process can make bioemulsifier production more efficient and more economical.The second order model obtained in the optimization of the medium components using three-factor central composite design and response surface methodology showed statistical significance and predictive ability. It was found that the maximum emulsification activity to water-in-hexadecane emulsion produced was 4,415 UEA and the optimum levels of urea, ammonium sulfate and potassium dihydrogen orthophosphate were, respectively, 0,544 % (w/v), 2,131 % (w/v) and 2,628 % (w/v). The emulsifier production process yield was optimized in 272 %. Successful scale-up from flasks to laboratory scale bioreactor was attained and the effects and interactions of the temperature and agitation rate on the emulsification activity of the bioemulsifier produced by Candida lipolytica were investigated. The data sets required to training, validation and test the neural software sensors were obtained from bioemulsifier production experiments carried out using com oil and sea water based media in a 5L bioreactor, under different temperature and agitation conditions. The training, validation and test sets were smoothed and expanded by interpolation using a piecewise smoothing cubic spline. Several neural network topologies with one hidden layer were tested. The input process variables included pH, dissolved oxygen, optic density and free cell metabolic liquid salinity. The training algorithm used was the Levenberg-Marquardt based backpropagation algorithm, in conjunction with Bayesian regularization. The root mean square error (RMSE) and the global determination coefficient (Rg2) among others index were used to compare model performances. The results showed that neural 'software sensors' supplied for biomass concentration and emulsification activity on-line estimation and prediction within an acceptable variation of 5% of the experimental values. Global coefficients of determination higher than 0.90 indicated excellent agreement of the neural network models with experimental test values, obtained for biomass concentration and emulsification activity / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química

Monitoring the mechanical integrity of critical structures is extremely important, as mechanical defects can potentially have adverse impacts on their safe operability throughout their service life. Structural defects can be detected by using active structural health monitoring (SHM) approaches, in which a given structure is excited with harmonic mechanical waves generated by actuators. The response of the structure is then collected using sensor(s) and is analyzed for possible defects, with various active SHM approaches available for analyzing the response of a structure to single- or multi-frequency harmonic excitations. In order to identify the appropriate excitation frequency, however, the majority of such methods require a priori knowledge of the characteristics of the defects under consideration. This makes the whole enterprise of detecting structural defects logically circular, as there is usually limited a priori information about the characteristics and the locations of defects that are yet to be detected. Furthermore, the majority of SHM techniques rely on sensors for response collection, with the very same sensors also prone to structural damage. The Surface Response to Excitation (SuRE) method is a broadband frequency method that has high sensitivity to different types of defects, but it requires a baseline. In this study, initially, theoretical justification was provided for the validity of the SuRE method and it was implemented for detection of internal and external defects in pipes. Then, the Comprehensive Heterodyne Effect Based Inspection (CHEBI) method was developed based on the SuRE method to eliminate the need for any baseline. Unlike traditional approaches, the CHEBI method requires no a priori knowledge of defect characteristics for the selection of the excitation frequency. In addition, the proposed heterodyne effect-based approach constitutes the very first sensor-less smart monitoring technique, in which the emergence of mechanical defect(s) triggers an audible alarm in the structure with the defect. Finally, a novel compact phased array (CPA) method was developed for locating defects using only three transducers. The CPA approach provides an image of most probable defected areas in the structure in three steps. The techniques developed in this study were used to detect and/or locate different types of mechanical damages in structures with various geometries.