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Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A síntese de ácido acrílico via processo fermentativo é um assunto recente, com poucas informações disponíveis na literatura e, tem despertado cada vez mais interesse de pesquisadores. Através da modelagem matemática, é possível obter uma melhor compreensão de um processo em sua totalidade, através de analogias abstratas que possibilitam a predição de um fenômeno. O objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento de modelos determinísticos para representar o processo biotecnológico de síntese de ácido acrílico a partir de uma rota metabólica alternativa, visando estudos do comportamento estacionário/dinâmico do processo, aplicação de técnicas de planejamento experimental para identificação dos parâmetros mais relevantes e otimização dos parâmetros operacionais, com a finalidade de compreender o processo e apresentar uma metodologia alternativa para a sua produção. A partir dos modelos desenvolvidos foi possível obter perfis de concentração dos principais componentes do processo. Depois de identificadas as influências dos parâmetros operacionais, cinéticos e de projeto sobre o processo, os parâmetros operacionais de cada modelo foram otimizados através da aplicação da metodologia de superfície de resposta e do método de otimização por programação quadrática sucessiva. Com a otimização dos parâmetros foi possível encontrar condições de operação que aumentaram a concentração e o rendimento final de ácido acrílico, como também, perceber as limitações dos métodos de otimização usados. Nos modelos com cinética estruturada foram aplicadas estratégias de controle, através das quais foi possível encontrar condições ótimas, podendo com isso operar o biorreator de forma eficiente e segura, além de aumentar o rendimento final de ácido acrílico. Através da realização deste trabalho, pode-se concluir que os modelos desenvolvidos constituem um conjunto de ferramentas interessantes para predizer e investigar o comportamento do processo de síntese de ácido acrílico via processo fermentativo, uma vez que, a literatura ainda não dispõe de trabalhos de modelagem para a síntese de ácido acrílico via rotas fermentativas. Também, servir de apoio para estudos de manipulação genética visando obter microrganismos com capacidade de produzir ácido acrílico em condições economicamente competitivas Abstract: The acrylic acid synthesis by fermentative process is a recent subject, with few available information in literature and it has demonstrated each time more interest of researchers. Through the mathematical modeling, it is possible to obtain a better understanding of the process behavior if mechanistic models are developed. The purpose of this work is the deterministic model development for the biotechnological process of acrylic acid synthesis through an alternative metabolic route, aiming the studies of both the steady state and dynamic behavior of the process. To investigate the parameters interactions as well as to identify the parameters with the most significant impact on the model experimental design was used and operational parameters were optimized. The purpose is to understand the process and to present an alternative methodology for its production. From of the developed models was possible to obtain the concentration profiles of the process components main. After identified the influence of the operational, kinetic and design parameters about the process, the operational parameters were optimized through the application of the response surface methodology and the successive quadratic programming optimization method. With the optimization of parameters was possible to find out the optimal operational conditions and thus to increase the yield and acrylic acid concentration as well as to perceive the limitation of optimization methods used. In the models with structured kinetic were applied control strategies, where was possible to operate the bioreactor safe and efficiently as well as to increase the acrylic acid final yield. With the realization of this work, it follows that the models developed consist of a set of interesting tools to predict and investigate the behavior of the acrylic acid synthesis by fermentative process, whereas in the literature are not yet available works about modeling of the acrylic acid synthesis from fermentative routes, as well as can to serve as support for studies of genetic manipulation aiming at to obtain microorganisms with capacity to produce acrylic acid in competitive economically conditions Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Em reações altamente exotérmicas, uma das principais características dos reatores catalíticos de leito fixo está relacionada ao surgimento do ponto quente ou hot-spot, sendo sua prevenção de fundamental importância para o bom desempenho do reator, uma vez que ele pode levar ao aumento excessivo da temperatura no leito catalítico, o que poderia resultar em possíveis condições de instabilidade. Um fator importante para estabelecer limites de estabilidade e que, portanto, deve ser considerado dentro do projeto de reatores catalíticos de leito fixo, está relacionado à escolha da configuração de escoamento do fluido refrigerante. Desta forma, duas novas configurações de escoamento para o fluido refrigerante, empregando simultaneamente as configurações convencionais co-corrente e contra-corrente, são propostas. O objetivo é explorar e analisar a influência de diferentes configurações de refrigeração sobre o comportamento de reatores catalíticos de leito fixo monotubulares e multitubulares através de sua modelagem e simulação, reduzindo assim os efeitos do ponto-quente sobre o comportamento estacionário do reator. O emprego de modelos multitubulares é essencial quando existe a necessidade de se considerar detalhadamente todos os aspectos relacionados ao projeto mecânico do reator e também onde as interações existentes entre os tubos forem importantes. Dentre as configurações de refrigeração empregadas estão as formas convencionais, denominadas co-corrente e contra-corrente, e também as configurações mistas, que utilizam ambas as formas convencionais simultaneamente. Como caso de estudo é considerada a reação de oxidação parcial do benzeno em anidrido maleico sobre catalisador de pentóxido de vanádio (V2O5), a qual apresenta equações de taxa complexas e é altamente exotérmica, e representa uma importante classe dentro dos processos industriais. Para tanto foram desenvolvidos softwares escritos em FORTRAN 90 capazes de permitir ao usuário o estudo de diversas configurações de refrigeração e diferentes condições de operação e de projeto, tanto para o reator monotubular quanto multitubular, sendo ainda compatíveis com outras reações de interesse industrial, o que torna os procedimentos e a metodologia desenvolvidos de uso geral Abstract: One of the main characteristics of fixed bed catalytic reactors when high exothermic reactions are carried out is the presence of the hot-spot. Prevention of hot-spot appearance is extremely important for good reactor performance, since it can lead to an excessive increase in reactor bed temperature, which could result in unstable conditions. An important factor to establish stability limits and, therefore, to be considered during the fixed bed catalytic reactor design is the choice of the coolant flow pattern. In doing so, two new coolant flow patterns are purposed using both co-current and counter-current conventional configurations simultaneously. The main objective is to explore and analyze the influence of different cooling modes on the monotubular and multitubular fixed bed catalytic reactors behavior through their modeling and simulation, reducing in this way the effects of the hot-spot on the steady state reactor behavior. The use of multitubular models is essential when there is a need to consider in detail all aspects related to the reactor mechanical design and also where the interactions between tubes are important. Among the cooling modes used are the conventional flow patterns, called co-current and counter-current, and also the mixed flow patterns, which use both conventional forms simultaneously. As a case study, the reaction of partial oxidation of benzene to maleic anhydride over a vanadium pentoxide catalyst (V2O5) is considered, which presents complex rate equations, is highly exothermic, and represent an important class of industrial processes. Bearing this in mind, FORTRAN 90 softwares that permit the user to study different cooling modes and various operational and design conditions for both mono-tubular and multitubular reactors were developed. These softwares are compatible with other reactions of industrial interest, which makes the procedures and methodology developed for general use Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Para o desenvolvimento de novas resinas poliméricas ou para a melhoria da qualidade de resinas já existentes, usualmente realizam-se experimentos em escala industrial ou em planta piloto. Entretanto, tais práticas são altamente imprecisas, demoradas, caras e levam à formação de produtos fora de especificação. Ferramentas baseadas em modelos matemáticos são alternativas atraentes para contornar essas desvantagens e, portanto, o incentivo para o desenvolvimento de políticas operacionais ótimas para os reatores de polimerização tem crescido muito nos últimos anos. Neste escopo, o presente estudo aborda o projeto de resinas de polietileno com propriedades feitas sob medida, as quais compreendem não apenas as médias da distribuição de peso molecular (DPM), mas também toda a DPM, já que algumas propriedades de uso final são melhores correlacionadas com certas frações da DPM. O caso de estudo é a polimerização do eteno em solução com catalisador Ziegler-Natta, que ocorre em uma série de reatores agitados e tubulares contínuos. Devido à presença de dois tipos de reatores, diversas resinas podem ser produzidas. Inicialmente, são realizados planejamentos fatoriais tipo Plackett-Burman para determinar as variáveis mais importantes, e portanto que devem ser consideradas como variáveis de decisão na futura otimização. Além disso, planejamentos fatoriais completos e superfícies de resposta permitem uma fácil identificação de comportamentos não lineares e um melhor entendimento do processo. Dois métodos diferentes de otimização são utilizados: algoritmos baseados em SQP (sequential quadratic programming) e algoritmo genético. No primeiro método, o processo é modelado como um sistema multi-estágio no estado estacionário, de modo que métodos de otimização dinâmica ou controle ótimo são adequados para resolver o problema ao se considerar a coordenada axial do reator tubular como variável independente ao invés do tempo. Ambos os métodos de otimização mostram ótima predição das propriedades desejadas do polímero, sendo que a performance do algoritmo genético melhora quando a solução da otimização baseada em SQP é incluída na população inicial. Abstract: In order to design new polymer grades or to improve the quality of existing polymer resins, usually pilot plant or industrial scale experiments are carried out. Such practices, though, are highly imprecise, time delayed, result in high costs and lead to off-spec products. Model based tools present an attractive alternative to overcome such disadvantages and therefore, in recent years, there is an increasing incentive to develop optimal operating policies for polymeric reactors. Whithin this scope, the present study approaches the design of polyethylene resins with tailored properties that comprehend not only average properties, but also the whole molecular weight distribution (MWD), since some end-use properties are better correlated with certain fractions of the MWD. The case study is the ethylene polymerization in solution with Ziegler-Natta catalyst, which takes place is a serie of continuous stirred and tubular reactors. Due to the presence of two types of reactors, a broad range of polymer resins can be produced. Initially, Plackett-Burman designs of experiments is carried out in order to ascertain the most important variables that should be considered as degrees of freedom for the future optimization. In addition to that, complete factorial designs and surface responses allow for an easy identification of nonlinear behaviors and a better understanding of the process. Two different methods are employed for the optimization: SQP based algorithms and genetic algorithm. For the former, the process is modeled as a multi-stage system at the steady state, in such a manner that optimal control tools are suitable to solve the problem if the axial coordinate of the tubular reactor is the independent variables, replacing time. Both methods present good prediction of the desired polymer properties and the performance of the GA improves when the solution of the SQP optimization is included in the initial population. Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Liliane Maria Ferrareso Lona, Fabiano Andre Narciso Fernandes Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: : A polimerização a alta pressão em reator autoclave é uma das tecnologias empregadas na produção de polietileno de baixa densidade (PEBD) empregam altas temperaturas, que podem variar de 150 a '300 GRAUS¿C, e altas pressões, até 3000 atm. Neste trabalho de mestrado foi desenvolvido um modelo matemático dinâmico para um reator de polimerização do tipo autoclave que opera em uma planta industrial no pólo petroquímico de Camaçari ¿ BA. O reator é dotado de múltiplos pontos de alimentação de monômero e de iniciador e possui um potente agitador, o que provoca uma natureza recirculante dentro do reator. De forma a considerar a mistura imperfeita, o reator é dividido em diversas seções. Cada seção é idealizada por um modelo de escoamento composto por um segmento de mistura perfeita, CSTR, e um segmento de mistura imperfeita, PFR. O segmento CSTR considera os pontos próximos das alimentações, enquanto que o PFR considera o resto da seção. Balanços de massa e de energia são realizados para cada segmento do reator. O método dos momentos foi utilizado para a caracterização das propriedades médias do polímero formado. Controladores do tipo PID foram implementados para controlar a temperatura e manter o reator em um ponto instável de operação. O conjunto de equações diferenciais e algébricas para cada segmento foi resolvido simultaneamente. Os resultados da simulação do modelo foram comparados com dados industriais e bons resultados foram obtidos Abstract: High-pressure polymerization in autoclave reactors is one of the most currently technologies used for production of polyolefins, particularly polyethylene. Pressures until 3000 atm and temperatures covering the range from 150 to '300 DEGREES¿C are usually employed in this system. In the present work high-pressure ethylene polymerization process to produce low-density polyethylene (LDPE) have been considered. In this work was developed a dynamic mathematical model for an autoclave polymerization reactor that operates in an industry in Brazil. The reactor comprises multiple feed points of monomer, initiator and a powerful agitator, which cause a recirculating nature inside the reactor. In order to consider the imperfect mixing, the reactor is divided into several sections (reaction zones). Each sections is idealized as composed by segments: one CSTR and one PFR segment accounts for the imperfect mixing region. Mass and energy balance are given for each segment of the reactor. The method of moments was used to characterize the average properties of the polymer produced. PID control was used to maintain operation on an unstable steady state point. The set of differential and algebraic equations (for all segments) was solved simultaneously. The results were compared with industrial data and good agreement was obtained. Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: o assunto principal deste trabalho é o desenvolvimento e a aplicação da técnica de controle avançada preditiva DMC (Dynamic Matrix ControI) a um processo fermentativo contínuo de múltiplo estágios com reciclo de microorganismos, de porte industrial. O processo fermentativo considerado neste trabalho apresenta fortes não linearidades, características de sistemas distribuídos, as quais juntamente com a presença de atraso nos instrumentos de medida da concentração de açúcares dificultam muito a qualidade das ¿ações do controlador. Não se verifica na literatura trabalhos aplicando esta técnica de controle avançado (DMC) a esta importante classe de processos encontrados na Engenharia Química. A motivação para o emprego dos controladores DMC deu-se pela grande potencialidade apresentada por este algoritmo para os mais variados sistemas, inclusive considerando-o como um dos mais populares para aplicações industriais. Desta forma o presente trabalho objetivou analisar o comportamento dinâmico deste processo, definir malhas de controle, estudar e aplicar a estratégia de controle avançado preditivo DMC, tanto na forma regulatória como supervisória e comparar o desempenho deste com os obtidos utilizando-se a estratégia de controle clássica PID. O conjunto de atividades realizadas, que possibilitaram o desenvolvimento e a implementação do algoritmo preditivo DMC, pode ser considerado como um procedimento metodológico para o projeto e sintonia desta classe de controladores Abstract: The main subject of this work is the application and development of the advanced predictive control strategy, DMC 'Dynamic Matrix ControI', to an industrial continuous fermentation process in multiple stages with cells recyc1e. This fermentation process presents higher nonlinearities (a characteristics of distributed systems) and time-delay in the measurement analysis of TRS 'Total Reductor Sugars'. These facts make very difficult for the controller to define an efficient action to be taken. It is not easily found in the available literature application of predictive controLlaws for this complex and very important c1ass of chemical process. The motivation to work with DMC controllers is directly linked to the high potentiality shown by this algorithm for various systems, specially considering that this is one of the most popular control strategies in industrial applications. Concluding, the objective was to analyze the dynamic behavior of this process, to define control loops, to study and to apply this advanced predictive control strategy, DMC, to an industrial fermentation processo This was performed in two fashions: in the regulatory way and in the supervisory way. A comparison with the c1assic PID strategy is also presented. The set of the activities, that made possible the implementation of the predictive algorithm DMC, can be considered as a methodology for the design and tuning of this kind of controllers Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Eduardo Coselli Vasco de Toledo Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Mestrado

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Apresentam-se neste trabalho a modelagem e a simulação de tres modelos matemáticos para reator trifasico, aplicados à reação de hidrogenação do o-cresol. Os modelos são unidimensionais e considerados em estado estacionario. É mostrada a formulação matemática dos modelos, considerado como tubular com fluxo "empistonado". No terceiro modelo o reator é considerado como tubular com dispersão axial. A partir de programas computacionais implementados para a simulação de cada um dos modelos, são mostrados os principais resultados (gráficos e tabelas) os quais indicam a influência dos principais parâmetros sob a performance de cada um deles, permitindo uma comparação entre os tres modelos estudados Abstract: ln this work is presenteel the moeleling anel the simulation for three mathematical models for three-phase catalytic reactor. The models are steadly-state and one-diimensional. The mathematical formulation of the models is shown, by the consieleration of the mass and energy balances. ln the first model the reactor is considered a series of perfectly mixing tanks, in the second the reactor is considered tubular without axial dispersion, and in thelast one consieler the reactor tubular with axial dispersion. By way of the computacional programs has been performed simulations for the three developed models. Are shown the principal results obtained by simulation. The effects of the parameters on the performances are analysed for each type of models Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A grande utilização dos reatores catalíticos de leito fixo na indústria química, associado com a necessidade de operação de alta performance requerendo o uso de técnicas de otimização e controle avançado tem motivado o desenvolvimento e o uso de modelos detalhados. As características heterogêneas, causadas devido a presença do sólido e ao fato do sistema ser de parâmetros distribuídos e as equações serem não-lineares, quando analisadas do ponto de vista dinâmico, podem levar a ocorrência da resposta inversa. Sem um modelo detalhado, este tipo de comportamento não pode ser predito de uma maneira segura, o que torna dificil a definição de políticas operacionais ótimas e de controle. A aplicação de um modelo heterogêneo poderia ser uma solução, mas o tempo computacional pode ser proibitivo para aplicação em tempo real. Um modelo dinâmico, bidimensional, pseudo-homogêneo modificado que procura levar em conta, de maneira efetiva, a presença do sólido, é apresentado. A reação de obtenção do acetaldeído através da oxidação do etanol sobre catalisador de Fe-Mo é utilizada como caso estudo, embora o modelo matemático determinístico para representar os fenômenos que ocorrem em um reator de leito fixo não dependa da equação da taxa. O fato da reação ser fortemente exotérmica exige a utilização de reatores resfriados por fluidos refrigerantes, e isto tem de ser considerado no desenvolvimento do modelo matemático do reator. Para a solução das equações do modelo dinâmico, propõe-se um método que consiste em aplicar o método da colocação ortogonal na direção radial e o método de Runge-Kutta de quarta ordem na direção axial e na variável tempo. Entretanto, o modelo dinâmico exige o conhecimento prévio do perfil das variáveis de estado no instante inicial. Deste modo, o modelo estacionário é apresentado como estudo para definir critérios para o modelo dinâmico. Uma extensiva análise sensitiva do reator é feita de modo a se definir critérios seguros de operação, e para isso é estudada a influência das variáveis de operação no comportamento dinâmico do reator Abstract: The development and use of detailed models have been motivated by the great application of a fixed bed catalytic reactor in Chemical Industry and the need of high profile operations that require optimization and advanced controI. The heterogeneous features, caused by the presence of solid particles and due to the fact that this is a distributed parameter system and non-linearity of the equations, when analyzed from a dynamic point of view, may cause to inverse response. Without a detailed model, this behavior can not be predicted in an accurate fashion, therefore the optimum operational and control policies become difficult to be determined. The solution could be the application of a heterogeneous model, however, the running time might be prohibitive for a real time application. A dynamic, two-dimensional, modified pseudo-homogeneous model that considers, effectively, the presence of solids particles is presented. The reaction of obtention of acetaldehyde by the oxidation of ethanol over a Fe-Mo catalyst is used as a study case, although the deterministic mathematical mode! that represents the phenomena that occurs in a fixed bed catalytic reactor does not depend on rate equation. It is necessary to use cooling reactors because the reaction is highly exothermic. This fact was considered in the mathematical model of the reactor. The method proposed to solve the equation of the dynamic model consists on the application of orthogonal collocation for radial direction and fourth-order Runge-Kutta for the axial as well as for the time. However, the dynamic model requires the previous knowledge of state variables profile at the initial time. Therefore, the stationary model is presented as a study to define the criteria for the dynamic model. An extensive analysis of the reactor is performed in order to define accurate operational criteria, and therefore the influence of operational variables in the dynamic behavior in the reactor is studied. Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Aline Carvalho da Costa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A utilização do etanol como combustível tem muitas vantagens; ele tem competido economicamente com a gasolina e diversos outros combustíveis, substituindo-os em várias utilidades. Desta forma, existe um grande interesse em se otimizar todos os passos da produção de etanol. Apenas um conhecimento profundo da dinâmica do processo gera uma operação ótima, e este pode ser conseguido através de simulações realizadas usando um modelo preciso. Muitos modelos fenomenológicos foram desenvolvidos considerando condições industriais, mas estes só são válidos para condições específicas nas quais foram determinados, invalidando a predição do modelo em outras condições. Mudanças acontecem normalmente em uma unidade industrial e a re-estimação freqüente dos parâmetros do modelo é usualmente difícil e demorada. O objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo híbrido neuronal para o processo de fermentação alcoólica usando balanços de massa combinados com redes neuronais do tipo Functional Link. Será implementado um esquema para atualização dos pesos da rede sempre que esta não descrever o comportamento dinâmico da planta. O modelo desenvolvido será usado para descrever um processo real no lugar dos modelos fenomenológicos existentes, já que estes têm sido capazes de descrever o processo apenas por curtos espaços de tempo Abstract: The use of ethanol as a fuel has many advantages; it has economically competed with gasoline and others fuels, substituting them in various uses. Thus, there is a great interest in optimizing all the steps of ethanol production. Only a detailed knowledge of the process dynamics can lead to optimal operation and this can be achieved through simulation using an accurate model. Many phenomenological models were developed considering industrial fermentations, but they are only valid for specific conditions. Changes occur frequently in an industrial unity and frequent reestimation of model parameters is usually expensive and time consuming. The objective of this work is to develop a hybrid neural model for the alcoholic fermentation process using mass balances combined with Functional Link Neural Networks. A scheme to update network weights always that it does not describe plant behavior accurately is implemented. The developed model is used to describe an industrial process substituting the existing phenomenological models, since they have been able to describe the process only for short periods Mestrado Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Comparado com o estudo de crescimento de populações de microorganismo, poucos avanços tem até então aparecido sobre o desenvolvimento de modelos estruturados para a formação de produtos. O objetivo do presente trabalho é o desenvolvimento de modelos estruturados alternativos a partir da adaptação de modelos estruturados de crescimento para o processo de fermentação etanólica realizado em um biorreator do tipo torre com células imobilizadas de alta produtividade. A metodologia do trabalho envolveu a adaptação de modelos estruturados de crescimento de Saccharomyces cerevisae, os quais incluem cinética complexa para as rotas metabólicas fermentativa e respiratória. Neste procedimento aplicou-se o método de Plackett e Burman, que possibilitou analisar um grande número de parâmetros e selecionar aqueles mais importantes. As equações diferenciais parciais descrevendo os fenômenos intraparticulares e ao longo do biorreator foram resolvidas utilizando o método de colocação ortogonal e o sistema de equações diferenciais ordinárias resultante foi integrado com respeito ao tempo pela "subrotina lsodaroo. Comparou-se os resultados simulados com dados experimentais, possibilitando escolher a cinética estruturada mais adequada. Técnicas de redução foram aplicadas na direção radial particular e o modelo reduzido foi simulado sob perturbações em malha aberta para definições dos pontos de controle e variáveis manipuladas. Devido à dinâmica ser lenta, foi necessário estabelecer através de planejamento experimental, uma relação entre a variável manipulada, a concentração de substrato de entrada e o objetivo de controle (modelo feedforward). O projeto do controlador envolveu, na forma SISO, os algoritmos do tipo clássico (PID), avançados do tipo preditivo (DMC) e preditivo adaptativo (STDMC) avaliados isolados e acoplados ao modelo feedforward obtido com procedimentos estatísticos. Em conclusão, considerar a célula como um único componente é insuficiente para descrever a dinâmica do metabolismo, principalmente em culturas que sofrem mudanças drásticas nas condições operacionais. Resultados mostraram que o modelo de Rotboll adaptado foi superior, principalmente quanto na representação da variável celular. Comparou-se os resultados obtidos com os modelos reduzidos para diferentes técnicas de redução, frente aos modelos bidimensionais(não reduzidos) e dados experimentais. A aplicação de diferentes técnicas de redução foi útil na obtenção de um modelo estruturado para aplicações em simulação e controle. O estudo de controle de processo mostrou que uma ação antecipada que relacione a variável manipulada e o set-point acoplada a algoritmos de controle feedback é a melhor forma de estabilizar o processo rapidamente Abstract: Compared with growing studies of microorganism populations, few improvements on the development of structured models for product formation have appeared. The objective of the presenting work is the development of altemative dynamic structured models adapted from structured growth models for the ethanol production by fermentation accomplished on a high productivity tower bioreactor with immobilized cells. The methodology of the work involved structured models of Sacharomyces cerevisae growth that include complex kinetic for the respiratory and glicolitic metabolic pathways. In this procedure it was applyed the method of Plackett and Burman, possibiliting to analyze a large number of parameters and to identify those that may be more important. The partial differential equations describing the inside particle and the bioreactor lenght phenomena were solved by orthogonal collocation method and the resulting system of differential ordinary equations was integrated, in respect to time, through lsodar subroutine. The simulated results was compared with experimental data, possibiliting to choose the most appropriate structured kinetic. Reduction techniques were applied in the particle direction and the reduced model was simulated under disturbances in the inlet variables with open loop to define the control point and manipulated variable. Because the slow dynamic, it was necessary to establish through experimental planning, a relationship among the manipulated variable, entrance substrate concentration and the control objective (feedforward model). The controller design involved in a SISO form, the classic (PID), advanced predictive (DMC) and predictive adaptive (SIDMC) control algorithms evaluated isolated and coupled to the feedforward model obtained with statistical procedures. In conclusion, considering the cell as an only component, it is not enough to describe the metabolism dynamics mainly in cultures that suffer drastic changes in the operational conditions. Results showed that the Rotboll adapted was superior, mainly as in the representation of the cell behaviour. It was compared the results obtained with the reduced models for different reduction techniques front to the reduced ones and experimental data, verifying the possibility of using them without loosing information of the processo The application of reduction techniques was useful in obtaining an useful structured model for applications in simulation and control. The study of control showed that an early action relating the manipulated variable and the set-point coupled to control feedback algorithms is the best form of stabilizing quickly the processo Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Francisco Maugeri Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos Resumo: As cefalosporinas assim como as penicilinas fazem parte de um grupo de antibióticos ß-lactâmicos produzidos por microrganismos. A cefalosporina C é produzida por mutantes do fungo Cephalosporium acremonium, e tem como característica determinante para seleção de processos de purificação, sua natureza hidrofílica, que dificulta sua extração por intermédio de compostos orgânicos. Desta forma, uma das técnicas mais utilizadas para purificação de cefalosporina C é adsorção cromatográfica. Através de simulações em computador, foi avaliado neste trabalho, um processo não convencional para purificação de cefalosporina C. O processo consiste basicamente em dois tanques agitados interligados por um reciclo, onde num primeiro estágio ocorre a adsorção e no segundo estágio a eluição do produto. Para realização deste objetivo, foi necessário estudar experimentalmente o comportamento cinético de adsorção e dessorção de cefalosporina C em resina polimérica, Amberlite XAD-2. O efeito da temperatura e do eluente (etanol) em solução foi verificado, sendo que o abaixamento da temperatura favorece a adsorção. Foram classificadas as isotermas e a cinética de adsorção na presença de etanol nas temperaturas de 10°C, 15°C e 25°C. Ensaios de adsorção em tanque agitado, permitiram determinar as constantes cinéticas, a difusividade efetiva da cefalosporina C no interior da resina e coeficiente de resistência à transferência de massa externo. Com o modelo matemático do processo contínuo e os dados cinéticos obtidos, foram realizadas simulações a respeito da dinâmica de operação, definindo-se as variáveis mais influentes. O processo foi avaliado, com base nas respostas fornecidas, sendo elas: fator de concentração (FC); fator de purificação (FP) e porcentagem de recuperação (%RC). A otimização foi feita pelo método de análise de superfície de resposta, fornecendo modelos empíricos, para os cálculos de %RC, FP e FC, dentro das faixas de operação estudas. O processo apresentou recuperação em tomo de 80%, um produto 10 vezes purificado, saindo no 2° estágio 1,6 vezes mais concentrado. Estes valores indicam, o potencial de aplicação do processo para purificação de cefalosporina C. Abstract: The cephalosporins and penicilins are constitued of the ß-lactam antibiotics group produced by microorganism. The cephalosporin C is produced by Cephalosporillm acremollillm a mutant strain, and its hidrophilic nature make the extraction process by organic compounds more difficult, so the chromatographic adsorption is a good technique to be applyied in cephalosporin C purification process with a large potential of success. Cephalosporin C purification by non-conventional process: was evaluated using computer simulation. The process is composed for two stirred tank reactors with recycle system, the adsorption occurs in the first stage and the elution of the product takes place in the second stage. The cephalosproin C adsorption and desorption kinetics in non-polar polystyrene macroporous resin were studied to achieve this aim. The temperature and eluate (ethanol) effects in solution were verified and it was noted the adsorption process is more efficient decreasing the temperature. The isotherms and kinetic adsorption in the presence of ethanol was obtained at 10°C, 15°C and 25°C. Bath adsorption experiments allows to determine the kinetic constants, the effective pore diffusion coefficient of the cephalosporin C in the particle as well as the mass transfer coefficient. The most influent parameters were defined through dynamic simulation performed by a deterministic mathematic model of the continuous process and the kinetics data. Based in the concentration factor (CF), purification factor (PF) and recovery yield (%RC) the process performance was evaluated. The surface response analyse was used for the otimization and generates the supplying %RC, PF and CF model which are valid in the considered ranges. The process shown more than 80% for RC, 10 for PF and 1,6 for FC. These values shows a promising potential of the proposed technique to cephalosporin C purification. Doutorado Doutor em Engenharia de Alimentos

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Os fomos rotativos têm tido importantes aplicações em vários processos, especialmente para produção de cimento e incineração de resíduos sólidos perigosos. O Forno rotativo é o tipo de incinerador de resíduos perigosos mais empregado devido a sua capacidade de tratar materiais sólidos com uma ampla faixa de tamanho de partículas e proporcionar uma boa mistura do leito de sólido. Vários trabalhos sobre transferência de calor em fornos rotativos foram publicados com aplicações em engenharia metalúrgica e produção de cimento. Os trabalhos mais importantes foram desenvolvidos por Jenkin and Moles11, Gorog et all 13,14,15 e Silcox e Pershing6. Este último, desenvolveu o modelo mais realístico e constitue o ponto de partida para o presente trabalho. Neste trabalho, desenvolveu-se um modelo matemático para predizer os perfis axiais de temperatura e concentração dentro do forno rotativo e do pós-combustor do incinerador, em estado estacionário e não estacionário. Este modelo difere dos trabalhos anteriores principalmente porque considera a redução do volume do sólido devido à degradação térmica do resíduo, assim como, a combustão em fase gasosa dos compostos voláteis gerados. Além disso, a injeção de resíduo líquido no pós-combustor é permitida. O modelo é unidimensional e considera as trocas radiativas entre zonas imediatamente adjacentes. As correntes de fluxo de massa são divididas em jato ou chama, gás anular e sólido. O forno é dividido axialmente em zonas de iguais comprimentos, onde cada uma das correntes é considerada completamente misturada e caracterizada por uma única temperatura, única composição e única vazão mássica. A combustão dos voláteis oriundos do sólido em fase gasosa é considerada instantânea. A taxa de queima do resíduo é controlada pela transferência de massa dos voláteis a partir do sólido, expressa como taxa de perda de massa do sólido. Dentro de cada zona, o jato ou chama é representado como um cilindro de diâmetro constante e especificado para cada zona. O jato é dividido em três regiões: a região do estabelecimento do jato, a chama e a região pós-chama. Na região de estabelecimento do jato não ocorre combustão ou entrada de gás a partir da região anular. Na região pós-chama não há combustível auxiliar para combustão, mas pode haver a queima de voláteis oriundos do leito de sólido. Na chama, há a entrada de gás proveninente da região anular, cuja taxa é especificada para cada zona. A temperatura da última seção transversal do forno rotativo é calculada e não preestabelecida como nos trabalhos anteriores. As capacidades caloríficas, condutividades térmicas e viscosidades são calculadas levando-se em conta as dependência com a temperatura e a composição. Para resolver as equações de balanço de energia é adotado um procedimento matemático iterativo, e para a simulação numérica é desenvolvido um código FORTRAN. Uma análise de sensibilidade paramétrica é realizada para 21 parâmetros e os efeitos sobre os perfis de temperaturas são analisados, para variações negativas e positivas de 10%. As capacidades caloríficas do gás e do jato resultaram nos maiores efeitos. Devido à enorme variabilidade dos resíduos industriais, é analisada a influência de várias taxas de perda de massa sobre os perfis axiais de temperaturas. O trabalho também inclue a análise dos efeitos das taxa de entrada de gás na chama e da aproximação para a geometria da chama sobre o perfil de temperatura, assim como, um breve estudo sobre a redução do consumo de combustível por duas vias: pré-aquecimento do ar de combustão e enriquecimento com oxigênio Abstract: Not informed Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Os sistemas de controle avançados de processos químicos, tipo preditivo adaptativo necessitam, em sua estrutura, do modelo do processo a ser controlado. Identificação de sistemas é a modelagem dinâmica a partir dos sinais de entrada e saída. Os processos operam em malha aberta ou fechada. Em determinadas situações práticas, quando o processo em malha aberta é instável ou sujeito a critérios de segurança e economia, a identificação do processo deve ocorrer com o mesmo operando em malha fechada. Os métodos de identificação que normalmente tem bons desempenhos em malha aberta podem apresentar problemas quando aplicados com os dados sendo obtidos em malha fechada. Objetiva-se neste trabalho o estudo e a sistematização dos métodos de identificação, tanto os métodos clássicos quanto os métodos dos subespaços, em malha fechada . Isto será feito através de análise teórica, com relação às condições de precisão e identificabilidade. Aplica-se os métodos clássicos, nas suas diferentes abordagens, a processos químicos, cujos dados para a identificação são obtidos através da simulação de modelos fenomenológicos. Devido às características dos processos químicos, efetua-se a identificação em batelada. Como, também, normalmente apresentam variações naturais em suas entradas de massas ou energia, estas serão as perturbações consideradas nos procedimentos de identificação. O método do erro de predição, em diferentes abordagens, será o aplicado nos exemplos. Mostra-se que, sendo o objetivo da identificação a obtenção de um modelo para ser usado no projeto de controladores, o modelo obtido via identificação em malha fechada apresenta resultados superiores ao obtido em malha aberta. Fez-se um estudo sistemático do procedimento integrado identificação/projeto do controlador através de algoritmos baseados no modelo do processo. Através de um exemplo, averigua-se a performance do procedimento integrado. Os métodos paramétricos, como o método do erro de predição são teoricamente os mais indicados para a identificação em malha fechada. Todas as abordagens, deste método, aplicadas aos processos químicos apresentaram bons resultados. A identificação de processos químicos, quando o objetivo é o projeto de controladores, deve preferencialmente ser realizada em malha fechada podendo ser operacionalizada tendo como entradas as variações naturais das cargas. A escolha da abordagem, desde que o método seja o do erro de predição, depende das características operacionais existentes Abstract: The advanced control systems of chemical process, predictive/adaptative type, require in their structure, the model of the process to be controlIed. Systems identification is the dynamic modeling, from the input and output signals. The processes may operate in open loop or in c10sed loop. In determinate practical situations, when the open loop process is unstable, or is subjected to safety and economical criteria, the process identification must occur with the process operating in c10sed loop. The identification methods that normalIy have good performances in open loop do show problems when applied with data being obtained in c10sed loop. This work aims to study and to systematize the identification methods, such as the c1assic methods and the subspaces methods, in c10sed loop. This will be done through the theoretical analysis, related to the identifyability and accuracy conditions. The c1assic methods are applied, in their different approaches, to chemical processes, from which the data for the identification is obtained with the simulation of phenomenal models. The parametric methods, such as the prediction error method, are, theoretically, the most indicated to identification in c10sed loop. AlI the approach of this method has shown good results when applied to chemical processes. The identification of chemical process, when the aim is to design controlIers, must preferentially be realized in c10sed loop, and it might be operational using as entries the natural variations of the loads. The choice of the approach, since the error prediction is the chosen method, depends on the existent operational characteristics Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Sandra Cristina dos Santos Rocha Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O transporte pneumático de partículas sólidas tem sido frequentemente utilizado em diversas indústrias. Na última década, houve um aumento da demanda a favor da utilização otimizada dessa tecnologia, o que requer bom entendimento da dinâmica do escoamento da mistura gás-sólido em tubos e capacidade para predizer tal comportamento. A maioria dos modelos matemáticos que descrevem os fenômenos que ocorrem no transporte pneumático vertical são unidimensionais em regime permanente. No entanto, evidências experimentais sugerem que a suposição de não variação radial das variáveis básicas podem não ser verdadeiras. No presente trabalho realizaram-se as modelagem e simulação do transporte pneumático vertical considerando os perfis axiais e radiais das variáveis de escoamento. Procedeu-se à comparação entre os resultados obtidos com a simulação utilizando os modelos unidimensional e bidimensional. Considerando ainda as transferências convectivas de calor e de massa, foram efetuados os balanços de energia e de massa, estendendo-se o modelo para um secador pneumático vertical. Foram obtidas as variações axiais e radiais, das temperaturas e umidades do gás e das partículas. Efetuou-se também uma análise paramétrica da simulação, no que concerne à secagem pneumática vertical, não só com relação às variáveis de processo, como também às variáveis geométricas envolvidas. A análise paramétrica foi realizada utilizando planejamento fatorial e foram obtidas as influências das variáveis estudadas na umidade da partícula a 2,Omda entrada do secador Abstract: Pneumatic conveying of solid partic1es has been frequently used in chemical industries. The increase in the use in this unit operation requires the knowledge of the dynamic of the gas-solid flow in tubes. The mathematical models of vertical pneumatic conveying found in the literature mostly consider the flow stcady and one dimensional. However, experimental evidence suggest that radial profiles of the basic variables of the flow exists. In this work a model is proposed for vertical pneumatic conveying considering axial and radial profiles for gas and solid velocities, porosity and pressure. The results obtained from this two-dimensional model were compared with the ones from the one dimensional model. The conservation equation for energy and mass of water were written to extend the model to a pneumatic dryer. The results show the axial and radial variations of gas and solid temperatures, gas humidity and particle moisture content along the dryer. A parametric analysis of the simulation was realized involving process and geometric variables using fatorial planning. The results of the parametric analysis show the influence of each variable in the moisture content of the particles at 2,Omat the entrance of the dryer Doutorado Engenharia de Processos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Os processos de polimerização são de grande importância, pois através destes, são produzidos uma grande diversidade de produtos de utilidade no mercado mundial, entre os quais plásticos, borrachas, tintas, etc. A simulação, a análise e o controle adequado dos processos são fundamentais para a operação e o desenvolvimento seguro de uma planta, garantindo e atendendo à demanda de competitividade atual com a fabricação de produtos de alta qualidade. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um modelo matemático determinístico detalhado e a elaboração de um software através da solução numérica do sistema de equações utilizando o Método dos Volumes Finitos. O caso de estudo considerado é a polimerização de eteno em solução em um reator tubular com catálise de Ziegler-Natta com e sem micromistura. Neste estudo é desenvolvido um modelo que simula o processo de polimerização de eteno em solução com catalisador Ziegler-Natta em uma seqüência de reatores PFR (Plug Flow Reactor - Reator de Fluxo Empistonado) e CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor - Reator Tanque de Agitação Contínua), concentrando-se principalmente nos resultados do PFR. Os parâmetros desconhecidos necessários para a obtenção dos resultados quantitativos do modelo, como constantes cinéticas, foram estimados a partir de dados do processo industrial da Politeno SA. A partir das simulações deste modelo foram avaliados os efeitos das principais variáveis de entrada do processo no desempenho do reator e nas propriedades do polímero. Os resultados obtidos demonstram convergência para o processo sem micromistura. Abstract: Polymerization process are important because of their large applications in the world market, for example, rubber, ink, plastic, etc. Appropriate simulation, analysis and control of a floor plan are fundamental for it safety operation and developing, providing the actual competitiveness with high quality production. This work intend to developing a detailed and deterministic mathematical model and elaborating of software using the numerical solution of a equations system obtained by Finite Volumes Method. Study case considered is the ethane polymerization in solution in a tubular reactor with catalysis Ziegler-Natta with and without micromixing. In this study were developed a model that simulates the ethane polymerization process in solution with catalysis Ziegler-Natta in a sequence of reactors PFR (Plug Flow Reactor) and CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), emphasizing the PFR results. The necessary parameters for model quantitative results, like kinetics constants, were calculated with Politeno SA industrial process data. The effect of the most important entrance variables in the reactor performance and in the polymer final properties were evaluated by simulations. The results show convergence for the process without micromixing. Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Atualmente, a grande parcela de produção do ácido propanóico ocorre a partir da síntese química, tendo como matéria-prima o petróleo. O conhecimento das limitações das fontes não-renováveis, sobretudo o esgotamento das matérias derivadas do petróleo, constitui o grande desafio na busca de fontes alternativas, competitivas e sustentáveis, em face do intento na preservação ambiental. O presente trabalho versa acerca do estudo de processo fermentativo, visando a minimizar a exploração desenfreada dos recursos naturais, comandada atualmente pelas fontes petroquímicas, bem como propiciar caminhos paralelos e alternativos por meio de fontes renováveis. Desta forma, este projeto tem como objetivo investigar a produção do ácido propanóico, por meio de processo biotecnológico, utilizando como matéria-prima o glicerol e o microrganismo propionibacterium acidipropionici. Neste âmbito, para a análise do sistema em batelada, será realizada a modelagem matemática do processo, por intermédio de modelos não estruturados, e a simulação do referido processo pelo método de Runge Kutta. Os parâmetros operacionais e cinéticos foram otimizados por intermédio da aplicação da técnica de planejamentos de experimentos por Metodologia de Superfície de Resposta e pelo Algoritmo Genético. Deste modo, por meio de desenvolvimento dos modelos, otimização dos parâmetros e das condições de operação podemos, determinar as condições, limitações e viabilidade do processo constituindo ferramentas fundamentais na investigação do comportamento do processo a fim de maximizar a produção do ácido propanóico possibilitando uma rota alternativa para este processo Abstract: Currently, a large proportion of propionic acid production occurs from chemical synthesis, with the raw oil. Knowing the limitations of non-renewable sources, especially the depletion of petroleum derived feedstock, is the great challenge in finding alternative sources, competitive and sustainable in the face of intent on environmental preservation. The present paper is about the study of the fermentation process, in order to minimize the uncontrolled exploitation of natural resources, currently led by petrochemical sources, as well as provide alternative and parallel paths through renewable sources. Thus, this project aims to investigate the production of propionic acid by biotechnology process using as raw glycerol and microorganism Propionibacterium acidipropionici. In this context, to analyze the batch system will be the mathematical model of the process through unstructured models, and simulation of this process by the Runge Kutta. The operational parameters and kinetics were optimized through the application of the technique of planning of experiments by Response Surface Methodology and the Genetic Algorithm. Thus, through the development of models, optimization of parameters and operating conditions can determine the conditions, limitations and feasibility of the process constitutes the fundamental tools for investigating the behavior of the process in order to maximize production of propionic acid providing an alternative route for this process Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Pesquisas estão sendo conduzidas em todo o mundo para o desenvolvimento de novas tecnologias para a produção de combustíveis líquidos a partir de recursos renováveis. Neste contexto a produção de bioetanol a partir de cana de açúcar é uma forma de reduzir o consumo de petróleo bruto e de contribuir com a redução da poluição ambiental, tornando-se uma importante alternativa para a obtenção de um combustível sustentável. Dentro do panorama exposto, pretende-se avaliar uma forma efetiva de diminuir os custos de produção do etanol combustível, o que contribui com a viabilidade econômica desta alternativa. Levando isso em consideração, nesse trabalho se desenvolveu um software sensor para determinação de Biomassa, Substrato e Produto a partir de medidas secundarias como turbidez, pH, vazão de CO2 e temperatura, usando um modelo híbrido neural que combina as equações de balanço de massa com redes neurais que descrevem a cinética do processo de fermentação. O processo fermentativo tem como matéria prima uma mistura de hidrolisado de bagaço e melaço de cana 75% e 25% em volume utilizado neste trabalho, respectivamente. Este tipo de composição é típica de processos de produção de etanol de 2a geração (que fazem uso da hidrólise do bagaço) acoplada com processos de 1a geração (que fazem uso do caldo extraído da cana, processo convencional já existente). Desta forma os desenvolvimentos realizados neste trabalho podem ser aplicados tanto para os processos convencionais quanto os processos de 2ª geração Abstract: Researches are being conducted worldwide to the development of new technologies for the production of liquid fuels from renewal resources. In this context, the production of bioethanol from sugar cane is one way to reduce consumption of petroleum crude, and to contribute with the reduction of environmental pollution, becoming an important alternative for the achivement of a sustainable development. Within the proposed scenario, the goal is to evaluate an effective way to reduce costs of the production of ethanol biofuel, which contributes to the economic viability of this alternative Taking this into consideration, this work has developed a software sensor for determination of biomass, substrate and product from secondary measures such as turbidity, pH, CO2 flow rate and temperature, using an artificial neural network that combines the mass balance equations with neural networks that describe the kinetics of the fermentation process. The fermentation process is as raw material a mixture of hydrolyzed and cane molasses 75% and 25% volume, respectively. This type of composition could be typical of the second generation of the ethanol production process (making use of the bagasse hydrolysis) coupled with processes of first generation (making use of the juice extracted from sugar cane, which it's a conventional process already exists).Thus the developments made in this work can be applied not only to conventional processes, but also to possible processes of second generation Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Neste trabalho é desenvolvida a modelagem matemática e a simulação computacional de um forno para processos de conversão térmica de frações pesadas de petróleo. O modelo cinético das reações de conversão é tomada de Sugaya (1993) a qual consta de uma reação irreversível de primeira ordem com 9 lumps reacionais e 24 pseudocomponentes. Os 24 pseudocomponentes são caracterizados e suas propriedades são calculadas mediante diferentes correlações e métodos encontrados na literatura. À medida que a carga avança pela tubulação do forno, a reação ocorre gerando quantidades maiores de componentes leves alterando as condições de fluxo como decorrência de alterações físico-químicas. Estes efeitos são levados em consideração na modelagem desenvolvida. O estado da mistura é verificado para cada passo de integração mediante a equação Soave Redlich Kwong. No caso de escoamento bifásico, as propriedades do líquido e do vapor são calculadas para determinar o regime de escoamento e calcular o Holdup. Este parâmetro permite estimar as propriedades de transporte, os coeficientes de transferência e a perda de carga. Inicialmente é simulada uma unidade piloto de craqueamento térmico. Esta unidade consta de uma serpentina aquecida isotermicamente, fato pelo qual só balanço de massa é integrado. O programa encontra as constantes cinéticas mediante um algoritmo Newton ¿ Raphson, cuja função objetivo é a diferença entre a conversão calculada e a conversão medida. Finalmente o forno industrial é simulado. Balanços de massa, momento, energia e temperatura de parede são integrados. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com os dados do forno 23H ¿ 1 (Refinaria Presidente Bernardes, Cubatão) para craqueamento térmico. Deposição de coque na tubulação é avaliada para analisar o comportamento do processo. O programa desenvolvido permite o estudo do processo de craqueamento térmico para processos de conversão térmica como o coqueamento retardado e visco-redução. Novos parâmetros operacionais podem ser estudados, diferentes cargas e estratégias de controle podem ser simuladas e avaliadas com o software desenvolvido Abstract: The mathematical modeling and the computational simulation of a process furnace for thermal conversion of heavy oil fractions is developed in this work. Kinetics of conversion reactions is from Sugaya (1993). It is based in a first order irreversible reaction with 9 lumps and 24 pseudocomponents. The 24 pseudocomponents are characterized and their properties calculated by different correlations and methods available in the literature. As walks through the furnace tubes, the feed, initially liquid, reacts generating light fractions and gas. The state of the mixture is checked for each integration step by a subroutine based on the Soave Redlich Kwong equation. When two phases are flowing, properties of the liquid and vapor are calculated to determine the flow regime and the holdup. This parameter allows to calculate the transport properties and the heat transfer and pressure drop coefficients. Initially, a thermal cracking pilot plant is simulated. This unit is formed by a reactor coil that is isothermally quenched; consequently, only mass balance is integrated. The program finds the kinetic constants by a Newton ¿ Raphson algorithm whose objective function is the difference between the calculated and measured conversion. Finally, an industrial furnace is simulated. Mass, momentum, wall temperature and energy balances are integrated. Results show good agreement whit the data reported from the industrial furnace 23-H-1 (Refinery Presidente Bernardes, Cubatão) for thermal cracking. Coke deposition in tubes is tested to analyze the performance of the process. The program developed in this work allows an insight study of thermal cracking processes such as delayed coking and visbreaking. New operational parameters, different feeds, control strategies and many other parameters can be studied. Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Maria Regina Wolf Maciel Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Para a síntese do acrilato de etila, foi desenvolvido um modelo contínuo bidimensional estacionário para um reator tubular, considerando transferência de calor e massa por dispersão radial e convecção axial. Foi assumido o modelo pseudo-homogêneo sendo do tipo ¿plug-flow¿, o qual se mostrou adequado para as condições de escoamento utilizadas. Todos os elementos necessários à modelagem detalhada do processo foram estabelecidos, incluindo informações experimentais, bem como as correlações para cálculo das propriedades físicas dos componentes puros, os métodos de cálculo respectivos à mistura, as correlações para estimativa dos parâmetros de transferência de massa e energia e a perda de carga. O modelo foi desenvolvido para trabalhar com diferentes métodos numéricos. Uma adimensionalização das variáveis foi realizada antes da discretização das equações diferenciais parciais pelo Método de Colocação Ortogonal. A solução numérica é baseada na implementação do Método das Linhas, o qual é uma combinação de um método de colocação ortogonal na dimensão radial e uma integração axial pelo método de Runge- Kutta de 4 ª ordem. Um método baseado na Quadratura de Gaus-Jacobi foi utilizado para o cálculo das médias das propriedades físicas na radial para cada intervalo de integração. O comportamento do reator é investigado em função de sua sensibilidade a um grupo de parâmetros de projeto e operação. Este software, que na verdade é uma planta virtual, foi utilizado para representar a produção do acrilato de etila em escala industrial em um reator multitubular. O catalisador utilizado foi ácido sulfúrico e as informações sobre a cinética foram suficientes para abordar várias operações compatíveis com as condições industriais. A reação é endotérmica, homogênea, possui uma cinética de segunda ordem e ocorre na fase líquida. A temperatura de reação utilizada foi em torno de 80 ºC, e o fluido de aquecimento utilizado foi o Dowterm A. Para etapa de separação utilizou-se um software comercial, no caso o Aspen Plus. Esta etapa compreendeu primeiramente a caracterização termodinâmica da mistura reacional, e em seguida, a simulação dos principais equipamentos utilizados na separação, visando a otimização do processo. O Acrilato de etila é um éster produzido a partir do ácido acrílico e do etanol. Ésteres acrílicos como este, são mundialmente utilizados para a produção de polímeros, os quais por sua vez, são utilizados principalmente na indústria de tintas e vernizes, adesivos, couro, papel, e tecidos. O que motivou este trabalho, foram os recentes avanços no desenvolvimento de uma rota bioquímica para a síntese do ácido acrílico, utilizando a cana de açúcar como matéria prima. Hoje o ácido acrílico é produzido pela oxidação do propeno, ou seja, uma rota petroquímica. Como o etanol também é produzido no Brasil a partir da cana de açúcar, com um preço muito competitivo comparado à via petroquímica, é possível desenvolver uma ¿rota verde¿, a qual pelos resultados encontrados, é interessante tanto do ponto de vista financeiro quanto ambiental Abstract: For the synthesis of ethyl acrylate, a continuous bi-dimensional steady-state model for a tubular reactor is developed, considering heat and mass transfer by radial dispersion and axial convection. The model is pseudo-homogeneous and is assumed a plug flow type, which it quite reasonable for the used flow conditions. All the elements necessary to the detailed process modeling were established, including experimental information as well as the correlations to calculate the pure-component physical properties, the respective mixture properties calculations methods, the correlations to estimate heat and mass transfer parameters and pressure drop. The model is built and rearranged to be solved for different numerical methods. An adimensionalization of the variables was carried out before the discretization of the partial differential equations by Orthogonal Collocation method. The numerical solution is based on the method of lines implementation, which is a combination of an orthogonal collocation method in the radial dimension and an axial integration by an explicit 4th order Runge-Kutta method. A Gauss-Jacobi quadrature based method for the radial mean physical properties calculations is used as an internal procedure for each integration interval. This software, in fact a virtual plant, was used to represent the industrial scale production in a multitubular reactor. The catalyst used was sulfuric acid and the information about kinetic was available to cover a broad range of operations compatible with industrial conditions. The kinetic is of second order, homogeneous and the reaction is endothermic and it takes place in the liquid phase. The reactor temperature was about 80 ºC, and Dowtherm A was used as heater fluid. The commercial software Aspen Plus, was used for the separation step. This step includes firstly a thermodynamic characterization of reaction mixture, and after, the simulation of the major equipments used in the separation step, aiming the process optimization. Ethyl acrylate is an ester produced from acrylic acid and ethyl alcohol. Acrylic esters such this, are worldwide used, primarily for polymers production, mainly for coatings, paints, adhesives, and binders for leather, paper, and textiles. The motivation of this work, was the recent advances in the development of biochemical route for the synthesis of acrylic acid by the sugar cane. Today the acrylic acid is produced by the propene oxidation, or a petrochemical route. As the ethyl alcohol is already produced in Brazil by the sugar cane, in a very competitive price compared to petrochemical via, it is possible to develop a ¿green route¿, which by the results found, is both interesting in a financial and environmental point of view Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Aline Carvalho da Costa, Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Entre os principais problemas relacionados à produção de etanol está a falta de robustez da fermentação em presença de flutuações na qualidade de matéria-prima, o que leva a mudanças no comportamento cinético com impacto no rendimento, produtividade e conversão. Esta falta de robustez pode ser levada em conta através de ajustes operacionais e de controle, que pode ser melhorado com o uso de um modelo matemático preciso. Neste trabalho, um procedimento para o desenvolvimento de um modelo matemático robusto, valido em uma grande faixa de condição operacional foi estabelecido. Este modelo considera o efeito da temperatura na cinética. Experimentos foram executados em modo batelada. O microrganismo utilizado foi Saccharomyces cerevisiae e o meio de cultura, melaço de cana de açúcar. O objetivo foi avaliar a dificuldade em atualizar os parâmetros cinéticos quando se tem mudanças nas condições de fermentação. Rendimento e produtividade foram analisados como funções de temperatura e concentração inicial de substrato. Neste trabalho foi executada também a otimização dos parâmetros cinéticos no processo de fermentação alcoólica. Parâmetros cinéticos foram determinados como função da temperatura para fermentações em batelada na faixa de temperatura de 30 até 38oC. Baseado em dados experimentais, um modelo diferencial que consiste em expressões para taxa de crescimento celular, consumo de substrato e formação de produto foi proposto. O objetivo foi desenvolver um procedimento para atualizar os parâmetros cinéticos sempre que mudanças nas condições de fermentação ocorrerem. Mudanças em condições operacionais são muito comuns em plantas de fermentação alcoólica, elas ocorrem não somente devido a variações na qualidade da matéria-prima, mas também devido a variações nas leveduras dominantes no processo. Também, o processo de fermentação alcoólica é exotérmico e pequenos desvios na temperatura podem deslocar o processo da condição de operação ótima. Assim, está claro que a principal dificuldade nas técnicas baseadas em modelos para definição de estratégias operacionais, controle e otimização, é o problema de obter um modelo preciso Abstract: Among the main current problems related to industrial ethanol production is the lack of robustness of the fermentation in presence of fluctuations in the quality of raw material, which leads to changes in the kinetic behavior with impact on yield, productivity and conversion. This lack of robustness can be taken into account through operational and control adjustments, which can be aided by the use of an accurate mathematical model. In this work, a procedure to develop a robust mathematical model, valid in a large range of operational conditions, was established. This model considers the effect of temperature on the kinetics. Experiments were performed in batch mode. The microorganism used was Saccharomyces cerevisiae and the culture media, sugar-cane molasses. The objective was to assess the difficulty in updating the kinetic parameters when there are changes in fermentation conditions. Yield and productivity were analyzed as functions of temperature and initial substrate concentration. In this work we perform kinetic parameters optimization in alcoholic fermentation process. Kinetic parameters were determined as functions of temperature from batch fermentations at temperatures from 30 to 38oC. Based on experimental data, a differential model consisting of rate expressions for cell growth, substrate consumption and product formation was proposed. The objective is to develop a procedure to update the kinetic parameters always that changes in fermentation conditions occur. The lack of robustness of the fermentation in the presence of fluctuations in the quality of the raw material, which leads to changes in the kinetic behavior with impact on yield, productivity and conversion, is among the main current problems related to the alcoholic fermentation process. Changes in the operational conditions are quite common in plants of alcoholic fermentation; they occur not only due to the variations in the quality of the raw material but also due to variations of dominant yeast in the process. Also, the alcoholic fermentation process is exothermic and small deviations in temperature can dislocate the process from optimal operational conditions. Thus, it is clear that the main difficulty in model-based techniques for definition of operational strategies, control and optimization, is the problem of obtaining an accurate model Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Silvio Roberto Andrietta Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho consiste em determinar o modelo que melhor descreve a fermentação alcoólica industrial, em sistemas contínuos de reatores de mistura em série. Para determinação dos parâmetros cinéticos foi desenvolvido um programa utilizando os dados de análises feitas em amostras retiradas de usinas em operação. Dos modelos testados, o Tosseto (2002), Lee; Pagan; Rogers (1983) e Levenspiel (1980), não apresentaram incoerência física nem problema de convergência sendo estes indicados para descrever a cinética da fermentação alcoólica. Os parâmetros cinéticos comuns aos modelos apresentaram valores semelhantes, onde o parâmetro Ks' limitação pelo substrato, foi de 3,0:t 0,4, o valor da concentração limite pelo produto inibidor, Pmáx' foi 92:t 9 e o fator exponencial de inibição pelo produto, YN, foi 5,3:t 0,9. O fator de inibição pelo substrato do modelo Tosseto (2002), Ki, foi 27:t 5 . O parâmetro X máx ' inibição pela massa celular, e YM, fator exponencial desta inibição, para o modelo Lee; Pagan; Rogers (1983) foram 1O0:t 1 e 0,9:t 0,1, respectivamente. A escolha pelo modelo Tosetto (2002) para implementação do programa de simulação do processo foi devido à tentativa de uma maior abrangência na obtenção das constantes cinéticas devido à possibilidade de inibição pelo substrato. A simulação em regime permanente trata-se da resolução equações algébricas dos balanços de massa do sistema e é capaz de dimensionar a etapa de fermentação de novas plantas a serem implantadas, enquanto que a simulação em regime transiente, tem o intuito de avaliar modificações durante a operação da usina e as equações diferenciais obtidas a partir dos balanços de massa devem ser resolvidas por método numérico, que neste caso foi utilizado o Runge-Kutta de quarta ordem Abstract: This work aimed to determinate a model that best describes the industrial scale alcoholic fermentation in continuous serial mixing reactors. Software was developed in order to establish the kinetics parameters, using analysis data performed on samples from operating plants. The models described by Tosseto (2002), Lee; Pagan; Rogers (1983) and Levenspiel (1980), did not display physical incoherence or even convergence problems that described alcoholic fermentation kinetics. The kinetics parameters shown in all models presented similar values, like K (substrate limitation) was 3,0:t 0,4, Pmáx (limited product concentration) was 92:t 9 and YN (product inhibition power factor) was 5,3:t 0,9. The K (substrate inhibition) studied by Tosseto (2002) was 27:t 5. X máx (cell mass inhibition) and YM (cell mass inhibition factor power) were respectively 1O0:t 1 and 0,9:t 0,1 to Lee; Pagan; Rogers (1983). The kinetics parameters abranger due the substrate inhibition obtained by Tosetto (2002) this model was chosen in order to implement the simulating software. The stady state simulation is about system' s mass balance algebric equations resolution and is capable to dimension the fermentation step in new plants to be implanted while the unstady state simulation have the intention to evaluate modifications during the plant operation and the differential equations obtained from mass balance must be resolved by numerical methods, in this case, was used the fouth order Runge-Kutta Doutorado Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Edinara Adelaide Boss Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Liofilização é um processo de separação baseado no fenômeno de sublimação. Devido à ausência de água liquida e as baixas temperaturas requeridas para este processo, a maioria das reações de deterioração e microbiológicas são prevenidas, tornado o produto final excelentes qualidade. Os estágios fundamentais envolvidos no processo de liofilização são: congelamento, estágio de secagem primário que se refere ao estágio no qual a água congelada é removida por sublimação, e estágio de secagem secundário no qual ocorre a remoção da umidade por sublimação, e estágio de secagem secundário no qual ocorre a remoção da umidade sublimada. As industrias que trabalham com o processo de liofilização necessitam de estudos, tendo em vista a existência reduzida de pesquisas nesta área tornando este trabalho um desafio. O desempenho do processo de liofilização é fortemente dependente da escolha adequada das condições operacionais e, portanto há necessidade de uma extensiva análise de seus efeitos no tempo de processamento e na qualidade do produto obtido. Neste trabalho liofilizou-se o suco de laranja não pasturizado. Foram realizados testes iniciais com o equipamento par adquirir maior conhecimento do mesmo, bem como proceder a sua operação. Como parte dos testes iniciais foi contruída uma curva de secagem utilizando amostras de suco de laranja não pasteurizado. Ainda com testes iniciais executou-se um planejamento fatorial completo '2 POT. 2¿...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: Freeze drying is a separation process based on sublimation phenomenon. Due to the absence of liquid water and the low temperature required for the process, most of deterioration and microbiological reactions are stopped which gives a final products of excellent quality. The fundamental stages involved in freeze drying process are: freezing, primary drying stages, related to stage in which occurs the remotion of sublimated water. The performance of freeze drying process in strongly dependent of the adequate operational conditions being necessary extensive analysis of the effects in processing time and quality of the obtained product. In this work, the no pasteurized orange juice was lyophilized. Initial test were realized with the equipamento to obtain more knowledge from it, as well as to proceed its operation. As part of initial test a drying curve was built using samples of no pasteurized orange juice. Still as initial test, a complete '2 POT. 2¿ factorial design was executed. A complete '2 POT. 4¿ factorial design was realized. The following variables were analyzed: thickmess of the layer, freezing form, addition and size of particles. The effects of each variable for the stupid process, as well as the interactions of variables for determined operational range were carried out...Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations Mestrado Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese aguardando autorização para liberação do texto completo no Repositório da Produção Científica e Intelectual da UNICAMP Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Processos de polimerização são em geral bastante complexos devido ao grande número de reações paralelas e de espécies químicas presentes no meio reacional. Além disso, a engenharia de reação de polimerização deve não só atender às especificações de rendimento e pureza, mas também obter produtos com uma certa característica de processamento e propriedades finais que são, na prática, a verdadeira medida do desempenho do reator de polimerização. Estas propriedades são determinadas pelo modo de operação e pelo tipo de reator empregado. Por outro lado, para uma boa estratégia de controle, otimização e estudos de projeto, é necessário um bom entendimento do processo, o que é possível a partir de um modelo matemático bem elaborado. Portanto, neste estudo é desenvolvido um modelo fenomenológico para o processo de polimerização de etileno com buteno-1 em solução com catalisador Ziegler-Natta em uma seqüência de reatores PFR (Plug Flow Reactor ¿ Reator de Fluxo Empistonado) e CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor ¿ Reator Tanque de Agitação Contínua). Simulações deste modelo avaliam o efeito da principais variáveis de entrada do processo no desempenho do reator e nas propriedades do polímero. Alguns parâmetros do modelo, como as constantes cinéticas das diversas reações envolvidas e algumas propriedades físicas, por exemplo, são desconhecidos devido à escassez de estudos nesta área e à dificuldade em se relizar experimentos em uma planta piloto de polimerização (altas temperaturas e pressões). Portanto, para obter resultados quantitativos do modelo, foi necessário estimar esses parâmetros desconhecidos a partir de dados dinâmicos de processo industrial. As propriedades de uso final dos polímeros são usualmente correlacionadas com a média e a polidispersão da DPM (Distribuição de Peso Molecular). Em alguns casos, entretanto, essas propriedades são influenciadas por determinadas faixas de peso molecular, surgindo o interesse no cálculo da DPM completa. Portanto, este trabalho desenvolve uma nova técnica, chamada de DFPM (Distribuição de Fração de Peso Molecular), que permite obter a distribuição das frações de peso molecular do polímero. Foram elaborados dois modelos de DFPM, um para a homopolimerização, e outro para a copolimerização. No primeiro caso, foram realizadas simulações a fim de se investigar o comportamento da DPM em relação às principais variáveis de entrada do processo. Já para a copolimerização, foi elaborado apenas o modelo teórico Abstract: Polymerization processes are, generally, very complexes due to the high number of parallel reactions and chemical species in reactional medium. Besides, the polymerization reaction engineering may not only attain yield and purity specifications, but also obtain products with certain processability characteristic and final properties that are, in practice, the real measure of performance in polymerization reactors. These properties are determined by operational conditions and reactor employed. By the other side, for good control strategy, optimization and design studies, it is necessary a good process knowledge, what is possible by a mathematic model well suited. Thus, in this study it is developed a phenomenological model for the ethylene with butene-1 polymerization process, in solution with Ziegler-Natta catalyst, in a sequence of PFR (Plug Flow Reactor) and CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) reactors. Simulations from this model evaluate effects of the main process input variables in reactor performance and in polymer properties. Some model parameters, as kinetic constants and some physical properties, for example, are unknown due to scarceness of studies in this area and due to hardness in realizing experiments in a pilot polymerization plant (high temperatures and high pressures). Thus, to obtain quantitative results from the model, it was necessary estimating these unknown parameters from process dynamic data. Polymer end-use properties are usually correlated with mean and polydispersity of MWD (Molecular Weight Distribution). In some situations, however, these properties are influenced by specific molecular weight ranges, thus coming the interest in calculating the whole MWD. Hence, this work develops a new technique, called MWFD (Molecular Weight Fraction Distribution), that allows obtaining the polymer molecular weight fraction distribution. Two models for MWFD calculation were elaborated, one for homopolymerization, the other for copolymerization. In the former, simulations were realized in order to investigate MWD behavior related to main process input variables. But, for the copolymerization, it was elaborated only the theoretical model Resumo: Não informado Abstract: Not informed Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O processo de copolimerização do metacrilato de metila/acetato de vinila ocorre pelo mecanismo cinético de radicais livres. Este sistema de copolimerização é interessante pois o metacrilato de metila é muito mais reativo que o acetato de vinila, como indicado por suas respectivas taxas de reatividades, 26 e 0,3. O produto é caracterizado pela fração molar de metacrilato de metila no copolímero, pelo peso molecular e pela viscosidade intrínseca. O mecanismo reacional e parâmetros cinéticos foram obtidos da literatura (Congalidis, J.P., 1989) e discutidos no capítulo 3. O processo foi modelado em malha aberta por Mattedi (2003) em um software em Fortran. Tal software foi usado em simulações e estudo do processo. O comportamento dinâmico do sistema foi avaliado. O pacote Statistica versão 7.0 foi utilizado para a execução da técnica de planejamento fatorial, sendo que a ¿planta¿ do processo foi o próprio software de simulação. Esta etapa foi fundamental para a construção de modelos empíricos e da avaliação das variáveis fundamentais para cada saída do processo. A partir das avaliações do planejamento fatorial, escolheram-se as condições para simulação do modelo, inserindo-se variações-degrau nas variáveis de entrada do reator que influenciavam preponderantemente nas variáveis de saída do processo. A fim de se obter modelos práticos para operações no processo, foram elaborados modelos inteligentes, baseados em conceitos de lógica fuzzy Abstract: The process of solution copolymerization of methyl methacrylate and vinyl acetate occurs through free radicals mechanism. This system of copolymerization is interesting therefore the methyl methacrylate is much more reactive that the vinyl acetate, as indicated for its respective rate of reactivity 26 and 0,3. A idea of the product quality is obtained by the methyl methacrylate molar fraction in the copolymer, molecular weight and intrinsic viscosity. The reaction mechanism and parameters kinetic had been gotten of literature (Congalidis, J.P., 1989) and showed in chapter 3. The process was modeling in open system by Mattedi (2003) in a software in FORTRAN. This software was used in simulation and study of the process. The dynamic behavior of the system was evaluated. The Statistica software version 7.0 was used for the execution of the technique of factorial planning, being that the "plant" of the process was the proper software of simulation. This stage was basic for the construction of empirical models and the evaluation of the basic variable for each control variable of the process. From the evaluations of the factorial planning, one chose the conditions for simulation of the model, inserting itself variation-step in manipulated variable of the reactor that influenced preponderantly in the control variable of the process. In order to get practical models for operations in the process, intelligent models were construct, based in concepts of fuzzy logic Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Doutorado

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Coselli Vasco de Toledo Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Os reatores catalíticos de leito fixo são um dos equipamentos mais importantes dentro da indústria química e petroquímica. Portanto existe um grande incentivo para se projetar reatores de alto desempenho desde que estes possam levar a altas taxas de produção, ao rendimento e a seletividade quase total, garantindo ainda uma operação segura. Em reatores onde ocorram reações fortemente exotérmicas uma das principais características é o surgimento do ponto quente ou ¿hot spot¿, o qual é normalmente localizado perto da entrada do reator e que eleva repentinamente a temperatura do reator em direção a um máximo. Conseqüentemente, esses pontos devem ser mantidos dentro de certos limites, pois podem levar a conseqüências indesejáveis, tais como a queda de seletividade no caso de reações competitivas, desativação do catalisador e especialmente o perigo do descontrole da temperatura do reator (¿runaway¿). Com um modelo matemático suficientemente representativo do processo é possível propor configurações alternativas de refrigeração alcançando assim um alto desempenho. Esse é o objetivo deste trabalho, explorar os benefícios das formas convencionais de refrigeração, denominadas co e contra-corrente, para projetar uma nova configuração de refrigeração, utilizando ambas as formas convencionais simultaneamente. Desta forma, espera-se aproveitar as vantagens que cada uma das configurações convencionais de refrigeração tem a oferecer. Para o estado estacionário os modelos pseudo-homogêneos bidimensionais de reatores catalíticos de leito fixo, os quais incorporam as capacidades térmicas do fluido e do sólido, ( ?Cp)f e ( ?Cp)s, respectivamente, foram utilizados. Como caso de estudo, foi considerada a reação de oxidação do etanol a acetaldeído tanto sobre catalisador de Fe-Mo quanto de Cobre Oxidado. Ambas são reações fortemente exotérmicas, e representam uma importante classe dentro dos processos industriais. Dando seqüência ao trabalho foi realizado um estudo de otimização para as quatro configurações do fluido refrigerante propostas a fim de identificar as melhores condições de refrigeração e propriedades do fluido refrigerante para reduzir os custos energéticos. As análises foram realizadas considerando algumas restrições para os parâmetros operacionais e de projeto do fluido refrigerante, de forma a avaliar seus efeitos sobre o desempenho do reator. Finalmente para o regime transiente foram considerados os modelos pseudohomogêno e heterogêneo, com o fluido refrigerante escoando em co-corrente e contracorrente, visando observar o deslocamento do ponto quente ao longo do tempo, e analisar a influência da alteração do fluxo de refrigeração sobre o comportamento dinâmico do reator Abstract: Fixed bed catalytic reactors are one of the most important kinds of piece of equipment in the chemical and petrochemical industries. Therefore, it is a large incentive for the design of high performance reactors, since this may lead to large production rate, almost total yield and selectivity while ensuring safe operation. In reactors where strong exothermic reactions occurs one of the principal characteristics are the occurrence of the hot spot, which normally is located near to the entrance of reactor and which suddenly raises the temperature of the reactor in direction to a maximum. Consequently, these points must be inside of certain limits, because it takes to undesirable consequences, such as decrease of selectivity in the case of competitive reactions, deactivation of catalyst and especially the appearance of the temperature runaway of the reactor. With a suitable process representation it is possible to propose alternative configurations so that high performance can be achieved. This is the scope of this work, which explores the benefits of both conventional cooling modes, namely co and countercurrent, to design a new fixed bed catalytic reactor using both conventional modes of refrigeration simultaneously, so that it is possible to take advantage of the positive features of each cooling mode. For the steady state, a pseudo-homogeneous model which incorporates the thermal capacities of the fluid and the solid, ( ?Cp)f and ( ?Cp)s, respectively, was used. As a case study, the catalytic oxidation of ethanol to acetaldehyde over Fe-Mo and Oxidated Copper catalyst were considered. It is a strongly exothermic reaction, representative of an important class of industrial processes. In the sequence of the work, an optimization was performed using the proposed coolant designs to identify the best operating conditions and coolant properties in order to achieve lower energy costs. Analyses were carried out with some regards to the operating and designs parameters of the coolant, in order to evaluate their effects on the performance of the reactor. Finally, the dinamic state for both models were considered (pseudo-homogenous and heterogeneos) with the coolant flow in co-current and counter-current modes, the objective was to analyze the displacement of the hot spot along the time as well as the influence change in the coolant flow over the dinamic behaviour of the reactor Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Silvio Roberto Andrietta Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho teve como objetivo modelar matematicamente um biorreator tipo torre de leito pseudo-expandido. Diferentes modelos cinéticos foram testados para descrever o comportamento deste biorreator em diferentes condições de operação. A cepa utilizada nos experimentos foi selecionada em função de sua capacidade de floculação, principal requisito para manutenção da linhagem imobilizada no biorreator. Os experimentos foram realizados em dois biorreatores tipo torre operando em paralelo, alimentados de forma independente com mesma vazão e concentração de substrato. Os ensaios consistiram em nove diferentes condições de operação e para cada condição foram coletadas doze amostras de cada reator ao longo de sua altura. A concentração de substrato foi variada de 155 a 279 g/L e a vazão de alimentação de 9,7 a 16,5 mL/min. Os resultados mostraram que as menores concentrações de substrato na saída do reator foram obtidas para ensaios com menores taxas de aplicação de substrato (g de substrato/hora) utilizada. Os níveis de conversão nos biorreatores foram próximos de 80% para a maioria dos experimentos. Para a determinação dos parâmetros cinéticos, foi utilizado um programa computacional desenvolvido em DELPHI 5.0. Os modelos estudados foram: JIN et aI. (1981), SEVELY et aI. (1981), TOSETTO & ANDRlETTA (2002) que levam em consideração um único substrato (ART). Outro modelo proposto neste trabalho que leva em consideração a presença de duas fontes de substrato e a hidrólise da sacarose foi estudado. O modelo proposto por JIN et. ai. (1981) mostrou o melhor ajuste para os dados experimentais; porém, os valores dos parâmetros cinéticos apresentaram grandes variações entre os experimentos. O modelo. proposto por TOSETTO & ANDRlETTA (2002) foi o que apresentou menor oscilação nos valores dos parâmetros cinéticos. O modelo proposto neste trabalho foi capaz de descrever satisfatoriamente o consumo de sacarose, glicose e frutose, mostrando a existência do fenômeno de diauxia entre a glicose e frutose Abstract: This work had as objeetive to model a reaetor type tower of pseudo-expanded bed mathematieally. Different kinetie models were tested to deseribe the behavior of the reaetor in different operation eonditions. The yeast strain used in the experiments was seleeted in funetion of its tloeeulation eapaeity, main requirement for maintenanee of the eell immobilized in the reaetor. The experiments were earried out in two tower reaetors operating in parallel with independent feeding. The experiments eonsisted of nine different operation eonditions and for eaeh eondition twelve samples of eaeh reaetor were eolleeted along its height. The substrate eoneentration was varied of 155 to 279 g/L and the feeding tlow rate of 9,7 to 16,5 rnL/min. The results of the experiments showed that the smallest substrate eoneentrations in the out tlow of the reaetor were obtained when smaller substrate applieation rate (g substrate per hour) was used. The eonversion levels in the reaetors were close 80% for all the experiments. For the determination of the kinetie parameters, asoftware developed in DELPIll 5.0 was used. The studied kineties models were: llN et aI. (1981), SEVEL Y et aI. (1981), TOSETTO & ANDRIETTA (2002) that take in eonsideration an only substrate (ART). Another model proposed in this work that takes in eonsideration the presenee of the two substrate souree and the hydrolyze of the suerose was studied. The model proposed by llN et aI. (1981) showed the best adjust to the experimental date, but the values of the mo deI parameters presented great variations among the experiments. The model proposed by TOSETTO & ANDRIETT A (2002) was what presented smaller variation in the values of the parameters among the experiments. The model proposed in this work was able to deseribe the profile of suerose, glueose and fiuetose eonsumption satisfaetorily, showing the existenee of the diauxia phenomenon between the glueose and fiuetose. Key-words: Mathematies modeling, Kineties, aleoholie Fermentation, Tower Reaetor, tloeeulanting yeasts, tree support Immobilization Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientadores : Rubens Maciel Filho, Aline Carvalho da Costa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Mestrado

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Três modelos computacionais diferentes foram desenvolvidos, comparados e analisados em função dos dados experimentais obtidos. Ambos os modelos correlacionam transferência de massa e hidrodinâmica para um reator "air-lift" de "loop" externo. Um dos modelos é apresentado como Modelo de Equações EmpÍricas (MEE), que é uma combinação de equações algébricas e diferenciais ordinárias, prognosticadas por diversos especialistas em sistemas multifásicos e em reatores "air-lifts". O segundo é o Modelo Determinístico Dinâmico (MDD), fundamentado nas Equações de Fick e Navier-Stokes e estendido para sistemas bifásicos. O terceiro e o último é o Modelo Híbrido Neural (MHN) que usa redes neurais em associação com as equações deterrninísticas desenvolvidas. O primeiro depende de uma metodologia de otimização integrada com as equações, o segundo de condições iniciais bem definidas, enquanto que o terceiro de uma rede neural bem treinada e de muitos dados de entrada. Os algoritmos desenvolvidos possibilitaram entender o comportamento associado da hidrodinâmica e da transferência de massa para o "ri ser" de um reator "air-lift" no sistema bifásico ar-água. As respostas dos três modelos concordaram com resultados empíricos obtidos de uma planta piloto Abstract: Three different algorithm models were compared, the numerical output analyzed and a correlation established with the experimental data. Both models correlate' mass transfer and hydrodynamic for an External Loop Air-lift Reactor. One of them is presented as the Empirical Equations Models (EEM), which is the combination of algebraic and Ordinary Differential Equations (ODEs). Such equations were predicted for air-water multiphase systems by Air-lift reactors specialists. The second one is the Deterministic Dynamic Model (DDM). It was based on the Fick's laws and the Navier-Stokes equations extended for the biphasic systems. The last one is the Hybrid Neuronal Model (HNM), which combines neuronal network with the deterministic equations developed. The first one depends on an optirnization methodology combined with the algebraic equations, the second one must have initial condition very well defined, while the last one needs a network very well trained and a several entry data. The developed algorithm allowed to improve the knowledge of the hydrodynamic and mass transfer behaviors. Both models outputs agreed with the empirical data obtained from a pilot planto Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho tem como enfoque a modelagem e o desenvolvimento de uma estratégia de controle para um reator de síntese de dextrana. A dextrana é um biopolímero, com grande potencial de utilização em indústria cosmética e área médica; a cada faixa de peso molecular se associa uma utilidade à dextrana. Ela pode ser obtida por via enzimática, com a reação ocorrendo "in vivo" ou "in vitro". Esta é normalmente mais empregada porque é mais fácil de controlar, se comparada com a técnica "in vivo". O reator de síntese de dextrana é constituído de dois estágios, dois recipientes preenchidos com uma mistura bifásica. A reação enzimática e a dessorção da enzima ocorrem no primeiro estágio, enquanto a adsorção da enzima acontece no segundo. A enzima dextrana-sacarase e o substrato não consumido - sacarose - são reciclados continuamente. Diante destas considerações foi desenvolvido um modelo dinâmico para o processo, cujas características principais foram tomadas para tomar a representação tão real quanto possível. O modelo matemático se baseou em balanços de massa envolvendo as distribuições de enzima e de substrato entre as fases sólida e líquida; não se utilizou balanços de energia porque os efeitos térmicos foram desprezados. Os resultados obtidos através da simulação do modelo matemático, na qual se empregou o algoritmo LSODAR para a integração numérica, revelam o comportamento dinâmico natural ou "pseudo-estacionário" do sistema. Como as variáveis não atingem um valor estacionário, foi necessário desenvolver controladores capazes de manter a variável de interesse em um nível satisfatório. Tal variável - a concentração de substrato no segundo estágio - é usada para calcular a produtividade e o rendimento do processo. Foram desenvolvidos e comparados dois tipos de algoritmos de controle: um PID convencional e o algoritmo DMC para a malha SISO, utilizando o fluxo de alimentação no primeiro reator como variável manipulada. Os resultados mostram que o algoritmo DMC apresenta melhor robustez se comparado ao PID, para a maior parte dos resultados. Conclui-se, portanto, que o algoritmo de DMC convencional pode ser usado com sucesso em controle de processos com um comportamento dinâmico natural contanto que os parâmetros sejam cuidadosamente escolhidos Abstract: This work is focused on modeling and development of a control strategy for a dextran reactor. Dextran is a biopolymer, with great potential of utilization in cosmetic industry and medica1 area. For each specific purpose, it must have suitable molecular weight. Dextran can be obtained by enzymatic path, with the reaction occurring "in vivo" or "in vitro". The latter has been chosen because it is easier to control, if compared with "in vivo" technique. The dextran reactor is constituted by two stages, two vessels filled with a two-phase mixture. Enzymatic reaction - desorption of the enzyme carries out the first stage; meanwhile, the adsorption of the enzyme takes place in the second stage. Enzyme dextran-sucrase and non-consumed substrate - sucrose - are continuously recycled. From these considerations, it was developed a dynamic model for the process, whose main characteristics were considered to make the representation as real as possible. Mathematical models were based on mass balances involving enzyme and substrate distributions between solid and liquid phases; eoergy balances were not considered because the thermal effects are oegligible. The results obtained ftom the simulation of mathematical model, using LSODAR algorithm for numerica1 iotegration, revealed the natural dynamic behavior - also called pseudo stationary behavior - of the system. The variables did not reach a stationary value, so it was necessary to develop controllers which were capable to maintain the variable of interest in a suitable leveI. This variable was the substract concentratioo on the second stage, which is used to ca1culate the productivity and the yield of the processo Two types of control algorithms were performed and compared: a conventional feedback PID and the DMC-SISO, utilizing the feed flow 00 the fIrst reactor as manipulated variable. The results showed that DMC algorithm presents a better robustness if compared to the PID, for the most part of results. It was concluded that the conventional DMC algorithm can be used successfully in control of processes with a natural dynamic behavior as long as the parameters are chosen carefully Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos

Orientadores : Rubens Maciel Filho, Aline Carvalho da Costa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Um dos principais problemas no controle e otimização de processos biotecnológicos é a construção de modelos confiáveis para o sistema. Para estes processos, o desenvolvimento de modelos detalhados baseado em princípios fundamentais e intensos estudos cinéticos são freqüentem ente caros e consomem tempo. Assim, seria de grande vantagem encontrar algum modo simples e rápido que os descrevessem, para posterior uso em otimização e controle. Foram propostos muitos métodos recentemente para alcançar esta meta. Um deles é o uso de redes neuronais. O treinamento de uma rede neuronal, porém, requer um número grande de dados experimentais. Além disso, a interpretação de tais modelos é difícil. Outra alternativa é o uso de um modelo híbrido neuronal no qual os aspectos do problema cujo comportamento quantitativo é bem compreendido são descritos através de equações matemáticas determinísticas, enquanto as redes neuronais descrevem a cinética. É esperado que estes modelos tenham um melhor desempenho que as redes neuronais do tipo caixa preta, já que a generalização e extrapolação estão limitadas às partes incertas do processo e o modelo básico sempre é consistente com os princípios fundamentais. Além disso, menos dados são requeridos para o treinamento. Há muitas estruturas de redes neuronais citadas na literatura e não há nenhum método proposto que defina a melhor estrutura a ser usada para um determinado caso. Na maioria dos artigos presentes na literatura que aplicam redes neuronais para bioprocessos, a rede neuronal do tipo feedforward (FNN) é usada. Uma estrutura que não foi muito explorada é a rede funcionallink (FLN). Esta rede demonstrou ter boa capacidade de aproximação não­linear apesar da estimação de seus pesos ser linear. Devido à estimação linear, seu treinamento é rápido, requer baixo esforço computational e a convergência é garantida. O objetivo do trabalho presente é determinar um modelo para um processo extrativo de produção de álcool de uma maneira simples e rápida. Este modelo deve ser suficientemente confiável para fins de optimização e estudos de controle. Um modelo híbrido neuronal é construí do e redes neuronais são utilizadas para descrever as cinéticas desconhecidas. Uma comparação é feita entre o uso das FLNs e das FNNs na descrição da cinética de processo. É demonstrado que as redes neuronais do tipo funcional link permitem o desenvolvimento de um modelo híbrido neuronal com uma vantagem significante quando comparados com redes neuronais artificiais convencionais. O modelo híbrido apresenta bom desempenho e é mais simples que o obtido fazendo uso de redes neuronais do tipo feedforward. Como a estimação dos pesos é linear para as redes FLNs, o seu uso no modelo híbrido pode possibilitar uma implementação simples de um esquema adaptativo, no qual os pesos são reestimados on-line baseados nos dados do processo Abstract: One of the most severe problems in the control and optimization of biotechnological process is the construction of reliable models of the system. For these processes, the development of detailed models based on fundamental principIes and intense kinetic studies is frequent1y expensive and time consuming. Thus, it would be of great advantage to find some simple and rapid way of describing them, accurately enough for optimization and control. Many methods have been proposed in recent years to achieve this goal. One of them is the use of neural networks. The training of a neural network, however, requires a large number of experimental data. Furthennore, the interpretation of such models is difficult. Another altemative is the use of hybrid neural models, in which the aspects of the problem whose quantitative behavior is well understood are described by detenninistic mathematical equations, while neural networks describe the kinetics. These models are expected to perfonn better than "black-box" neural network models, since generalization and extrapolation are confined only to the uncertain parts of the process and the basic mo deI is always consistent with first principIes. Besides, significantly fewer data are required for their training. There are many neural network structures cited in the literature and there are no methods proposed to define the best structure to be used for a given case. In the majority of the papers applying neural networks to bioprocesses, the feedforward neural network (FNN) is used. A structure that has not been much explored is the functional link network (FLN). This network has been shown to have a good non-linear approximation capability although the estimation of its weights is linear. Due to the linear estimation, its training is rapid, requires low computational effort and the convergence is guaranteed. The objective of the present work is to determine a model for an extractive ethanol production process in a simple and rapid way. This model must be sufficient1y reliable to be used for posterior optimization and control studies. A hybrid neural model is constructed, using neural networks to describe the unknown kinetics. A comparison is made between the use ofthe FLNs and the FNNs to describe the process kinetics. It is shown that the functional link networks enables the development of hybrid neural models with significant advantage when compared to conventional artificial neural networks. The hybrid model presents a good performance and is much simpler than the one using the FNNs. As the estimation ofthe network weights in the FLNs is linear, their use in the hybrid mo deI enables simple implementation of an adaptive scheme in which weights are reestimated on-line based on process data Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O desenvolvimento de um modelo matemático, de boa qualidade ,em estado estacionário e dinâmico, para estudar a otimização e o controle do processo de incineração em grande escala, estimulou o enfoque dado a este trabalho. Os procedimentos de cálculos dos balanços de massa e energia, assim como todos os fluxos de calor, condutivo, convectivo e radiativo, são projetados para ter uma solução simultânea de todas as equações com um método numérico amplamente difundido, Newton-Raphson, Levenberg-Marquardt ou SQP. As temperaturas obtidas para os sólidos, o gás anular, o jato central, a parede interna e a parede externa, são comparadas com outra aproximação aplicada a este tipo de problema, a analogia dos fluxos de calor com circuitos elétricos. A comparação dos dois procedimentos permite identificar o melhor método do ponto de vista computacional, e aquele que melhor representa uma planta real. O programa computacional, desenvolvido para este trabalho, permite observar a dinâmica do processo para oscilações comuns na prática industrial, tais como: variações nas temperaturas de alimentação dos resíduos, do ar e do combustível e mudanças nas vazões mássicas das correntes mencionadas acima. O modelo dinâmico também é capaz de representar a partida e a parada da planta. O sistema de controle, implementado com base no modelo dinâmico, consiste de estudos baseados em controle "feedback" e "feedforward". A malha "feedback" tem controladores tipo PID e a "feedforward" prediz o processo usando planejamento experimental. O trabalho emprega técnicas de otimização para maximizar o rendimento da operação, reduzindo o consumo de combustível para a maior quantidade possível de resíduos alimentados, respeitando normas ambientais e de operação do processo. Com um modelo determinístico, descrevendo as principais características do processo de incineração em grande escala, é possível definir estratégias operacionais ótimas, e também uma política de controle adequada, de tal modo que o melhor desempenho possa ser atingido. O modelo permite tomar decisões em estágios preliminares da operação, corrigindo e antevendo eventuais problemas Abstract: The development of a suitable mathematical model, in steady state and dynamic conditions , to carry out optimization and control of the large scale incineration process, stimulated the approach proposed in this work. The development of the mass and energy balances, as well as all the flows of heat, conductive, convective and radiative, were idealized to have simultaneous solution of all the equations, with a well-known numeric method, Newton-Raphson, Levenberg-Marquardt or SQP. The temperatures obtained for: the solids, gas, intern wall, external wall, total heat lost by the walls , concentrations of dioxins and products of incomplete combustion Can be compared with another approach used to solve this kind of problem, to know ,the analogy of the flows heat with electric circuits. The comparison of the two methods allows identify the best method in the computational (time) and results (elose to real dates) point of view. The software, developed for this work, allows to observe the dynamics of the combustion process, for common oscillations in the industrial practice, such as variations in the feeding temperatures of the residue, the air and the fuel flows. The dynamic model is also capable to represent the star up and the shut down ofthe plant. The control system involves, implemented in the dynamic model, a study based on feedback and feed forward control. The feedback loop has controllers type PID and the feedforward predicts the process using experimental planning. The work, also uses optimization techniques, to obtain the best performance of the operation, reducing the consumption of fuel for the largest possible amount of residues fed. With a good and reliable deterministic model describing the main features, taking place in large scale incinerator equipment, it is possible to define optimal operating strategies as well as adequate control policy in such way that high operation performance can be obtained. Also with the model its possible to take decisions in earlier stages of the equipment design Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Os bioprocessos estão ganhando cada vez mais espaço nos processos produtivos por sua versatilidade, alta taxa de produção em produtos específicos e alto valor agregado dos produtos gerados. A característica comum destes processos é que apresentam um comportamento complexo onde diversos mecanismos estão envolvidos para a obtenção de produtos específicos. Este projeto de pesquisa tem como principal objetivo o desenvolvimento de modelos híbridos para descrição do comportamento dinâmico de bioprocessos. Estes modelos híbridos são desenvolvidos acoplando-se Redes Neurais Artificiais (RNA) a modelos determinísticos sendo úteis, como representações matemáticas, para aplicações em controle e otimização em tempo real e principalmente como "soft-sensors". O bioprocesso tratado neste trabalho, como caso de estudo, é a produção de etanol via fermentativa utilizando-se o microrganismo Saccharomyces cerevisae. O processo é representado por um modelo determinístico, constituído por um sistema de equações diferenciais ordinárias, resolvido pelo método Runge-Kutta de 4! ordem. Este modelo foi devidamente validado e é utilizado como fonte de dados para estudos da dinâmica, e de desenvolvimento de modelos baseados em RNA e bt'bridos. Para construção do modelo híbrido (modelo "Caixa Cinza") foi treinada uma RNA que prediz a velocidade específica de crescimento quando fornecidos os valores das concentrações de produto, células e substrato. Após o ajuste esta RNA foi acoplada ao modelo determinístico fornecendo os perfis dinâmicos das variáveis: 8, X e P (para os quatro reatores), rendimento e produtividade. Foi desenvolvido também um modelo tipo "Caixa Preta" do bioprocesso. Este modelo, baseado em RNA, fornece o perfil dinâmico de 8(4), X(4) e P(4) durante 20h de processo. Todos os modelos foram devidamente testados sendo comprovadas suas eficiências Abstract: The biological processes are each time more important in the productive processes due to its versatility, high production rate in specific products and high value of the generated products. These processes present a complex behavior where several mechanisms are involved to obtain specific products. The main goal of this research project is the development of hybrid models for description of the dynamic behavior of biological processes. These models are developed by coupling Artificial Neural Networks (ANN) and deterministic models. The hybrid models will be used as mathematical representations of the process, for applications in real time control and otimization and mainly as soft-sensors. The biological process studied in this work is related with the fennentative ethanol production using the microorganism Saccharomyces cerevisae. The process is represented by a detenninistic model, constituted by a system of differential ordinary equations, that is solved by 4th order Runge-Kutta method. This model was validated proper1y in industrial scale and it is used as data source for studies of the dynamics of the process, development of the models with ANN as well as of the hybrid models. For the construction of the hybrid model ("Gray Box" model) it was accomplished the training of a ANN that predicts the specific speed of growth of the microorganism when supplied the values of the product, celIs and substract concentrations. After adjustment of the ANN, it is coupled to the deterministic model supplying the dynamic profiles of the variables: 8, X and P (for the four reactors), efficiency and productivity. It was also developed a "Black Box" model of the biological processo This model, based in ANN, supplies the dynamic profile of 8(4), X(4) and P(4) during 20h of processo AlI the models were proper1y tested and their efficiency were verified. Mestrado Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Este trabalho apresenta um estudo sobre a modelagem matemática de um reator de lama catalítico trifásico, em regime estacionário, a partir de duas abordagens, a saber considerando sua descrição por meio de equações fenominológicas (modelos matemáticos deterministicos) e ultilizando-se de técinicas de redes neurais para sua representação. É apresentado uma revisão dos trabalhos mais relevantes da literatura sobre a modelagem de processos químicos. Em seguida, faz-se a formulação de um modelo matemático determinístico para a representação de um reator tubular em modo contínuo de operação e em regime estacionário, no qual ocorre uma reação trifásica. Um estudo da aplicabilidade de técnicas de redes neurais à analise destes sistemas, considerando-se duas abordagens é também proporcionada. A partir de simulações computacionais (utilizando programas implementados na linguagem FORTRAN), e tomando-se uma reação de hidrogenação como estudo de caso, são mostrados e analisados, de forma comparativa, os principais resultados obtidos, destacando-se a influência dos principais parâmetros e fenômenos no desempenho do reator trifásico, e evidenciando a aplicabilidade das técnicas de redes neurais na sua modelagem Abstract: In this work, a study on the mathematical modeling of a three-phase catalytic surry reactor is developed, using two approach. In the first, the reactor is described by their phenomenological equations expressing the mass and energy balances for the system. In the second, artificial neural network techniques is considered in representing the three-phase reactor behavior. Initially, a revision of existing literature on three-phase reactor mathematical modeling and on artificial neural networks application in the chemical process analysis is presented. After, the deterministic mathematical model formulation for a three-phase catalytic slurry reactor, with a tubular configuration and operating in steady-state is developed. In the mathematical model the mass and energy balance equation for the catalytic particle are considered. The mathematical model developed is simulated and the main results are presented and discussed, highlighting the effect of the principal parameter of the process in its performace, and using data obtained by the mathematical model simulation, the applicability of artificial neural networks techniques is shown Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Cesar Costapinto Santana Tese (doutorado) - Univesidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Nos últimos anos, a utilização das enzimas na indústria vem aumentando rapidamente,mas ainda existe um grande campo para a sua expansão.A 'beta¿-Galactosidase pode ser utilizada para a preparação de diversos produtos lácteos com baixo teor de lactose, tais como: leite para consumo, iogurtes, sorvetes, queijos, doce-de-Ieite, entre outros. Este trabalho de pesquisa envolveu a determinação experimental e modelagem matemática das características de transferência de massa para um sistema enzima adsorvente ('beta¿-Galactosidase de Scopulariopsis sp. e a resina aniônica Accell Plus QMA), com a análise do fator de concentração e de purificação da enzima e de sua respectiva atividade, quando submetidas às operações de adsorção e eluição em leitos fixos, e uma etapa final de purificação através de filtração em gel. A enzima 'beta¿-Galactosidase foi produzida através de cultivo em substrato sólido (farelo de trigo e água) utilizando-se o fungo Scopulariopsis sp. Verificou-se que polifenóis presentes no material impediam a adsorção da enzima na resina aniônica. Estudou-se o uso de operações de ultrafiltração, precipitação em acetona, e diálise, e também a combinação dessas operações, para remover polifenóis no preparo de soluções contendo a enzima. Verificou-se que todas essas operações combinadas removem polifénois, porém não na totalidade. Obteve-se isotermas de adsorção, curvas cinéticas em tanque agitado e curvas de ruptura, tanto de proteína como atividade da enzima ...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: : In last years, enzyme utilization in industry has been increasing fast, but a large field still remains for it's complete expansion. Beta-Galactosidase may be used for preparations of different milky products containing lower lactose levels. The aim of this work was the experimental determination and mathematical modeling of mass transfer characteristics for an enzyme-adsorbent system (Beta-Galactosidase from Scopulariopsis sp. And the anionic resin Accell Plus QMA), including analysis of concentration factor and enzyme activity and purification, when submitted to adsorption operations and fixed-bed elution, and a final step involving purification from gel filtration. The Beta-Galactosidase enzyme was produced from solid substrate cultivation (wheat bran and water) of Scopulariopsis sp. It was verified that the presence of polyphenols into the material impeded enzyme adsorption on the anionic resin. It was studied the use of some operations, such as ultrafiltration, acetone precipitation, dialysis and the combination on them in arder to remove the polyphenols during the preparation of the solutions containing the enzyme. It was obtained adsorption isotherms, kinetic curves in stirred tank and breakthrough curves of protein as much as enzyme activity. The mathematical models applied to adsorption in stirred tank and chromatography columns were discretized by the orthogonal collocation method ...Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations Doutorado Engenharia de Processos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Francisco Maugeri Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos Resumo: O processo de fermentação alcoólica convencional é caracteristicamente inibitório, porque o álcool etílico produzido inibe as células de leveduras, afetando negativamente no rendimento e na produtividade do processo. Este trabalho têm como objetivos propor um processo de fermentação alcoólica contínua conectado a um sistema de extração (tanque flash a vácuo) e a aplicação da estratégia de um controle avançado. A modelagem do processo baseou-se em cinética fermentativa e balanços de massa e energia. Estudou-se a otimização da fermentação alcoólica extrativa, através de simulação em computador e uso do método baseado em planejamento fatorial e posterior análise de superfície de resposta. Através dos modelos matemáticos empíricos obtidos e análise das superfícies de resposta foi possível otimizar o processo para uma conversão de 99,2% dos açúcares do meio de alimentação e uma produtividade de 21,0g/l h. Este valor de produtividade é 166% superior ao alcançado pelo processo contínuo convencional. Através do estudo dinâmico do processo foi possível verificar que em condições otimizadas de operação, a concentração de álcool no reator e a temperatura estabilizam-se em níveis desejados, indicando que a operação do processo otimizado apresenta concentração de 40g/l de etanol, valor abaixo do poder inibitório e aos níveis de atuar como anti-séptico. A temperatura se estabiliza em tomo de 33°C, eliminando a necessidade de um sistema de refrigeração, equipamento necessário nos processos fermentativos convencionais, reduzindo acentuadamente os custos do processo extrativo proposto. Pôr intermédio de perturbações degrau no processo, os resultados obtidos permitiram escolher a variável manipulada e controlada, importante para a implementação do controle. A manutenção da operação do processo em condições otimizadas foi desenvolvida e implementada pela estratégia DMC-SISO ("Dynamic Matrix Control-Single Input/Single Output"), conseguindo-se manter o processo em alta performance (alto rendimento com alta produtividade) Abstract: The conventional alcoholic fermentation is a typical inhibitory process, leading to low productivity and yield. The goals of this work is to study the technical viability of the continuous extractive alcoholic fermentation coupled with an extractive system (vacuum flash tank) and the introduction of an advanced control strategy. The mathematical model was based on fundamental fermentation kinetic and mass and energy balances. The optimization was carried out using the method of factorial design and response surface analysis, through mathematical modeling and computer simulation. The results, using optimized variables were 99.2% of conversion and 21 g/l h of productivity, the latter representing 166% times as higher as the productivity in conventional continuous process. The dynamic characteristic studies of the extractive process showed that the product concentration increases slightly and then falls down until reach a constant and desirable level of 40g/l. This whose level allows the good performance of the microorganism and the inhibition of contaminants. It is possible to maintain the temperature at desirable levels (30°C) without using heat exchangers for the temperature control. The manipulated and controlled variables were determined from the dynamic responses of the system. The desired conditions can be regulated by an appropriated operation of the system, like the implementation of a predictive algorithm. Through the DMC-SISO (Dynamic Matrix Control-Single Input/Single Output) control strategy was studied and implemented, showing a high performance Doutorado Doutor em Engenharia de Alimentos

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O assunto principal deste trabalho é o desenvolvimento e a aplicação da técnica de controle avançado preditivo DMC (Dynamic Matrix Control) desde o controlador monovariável, DMC-SISO, ao controlador multivariável DMC-MIMO, e também do controlador multivariável adaptativo, DMC-MIMO adaptativo, denominado neste trabalho de D-AMPC. O controle multivariável desenvolvido neste trabalho foi testado, via simulação por computador, em um processo complexo encontrado em aplicações industriais de Engenharia Química, processo fermentativo industrial para produção de Etanol, operado sob condições severas de operação. O controle multivariável preditivo adaptativo, D-AMPC, foi testado no reator de hidrogenação de Fenol para Cic1ohexanol (RHODIA - Paulínia SP). Este teste foi feito em um breve intervalo de tempo, sendo o processo controlado em tempo real e sob condições normais de operação. O processo fermentativo considerado neste trabalho é um processo de dinâmica lenta e que apresenta fortes não linearidades, características de sistemas distribuídos, as quais juntamente com a presença de atraso nos instrumentos de medida da variável controlada (concentração de açúcares) dificultam, em muito, o projeto do controlador. O reator de hidrogenação de Fenol para Ciclohexanol, da Usina Química de Paulínia (RHODIA) é um reator trifásico, com a presença do catalisador sólido na mistura. Possui fenômenos complexos de transferência de calor e dinâmica rápida quando comparado com o processo fermentativo industrial. Além do mais é um processo distribuído que apresenta, entre outras dificuldades, a desativação do catalisador ...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: The main subject of this work is the application and development of the advanced predictive control strategy, DMC 'Dynamic Matrix Control', from the monovariable approach (DMC-SISO) to the multivariable (DMC-MIMO) as well as the multivariable with adaptive capabilities, described in this work as D-AMPC. The multivariable controller developed in this work was tested by computer simulation in a complex industrial process application, to know, the industrial fermentation process to produce Ethanol under hard operational conditions. The multivariable predictive/adaptive controller was tested in the Phenol hydrogenation reactor to produce Cyclohexanol (RHODIA - Paulínia - SP - Brazil). This test could be made in a short time interval and the process was controlled in Real time under typical operational conditions. The fermentation process considered in this work is a process with low dynamic response, high non-linearities with typical characteristic of distributed systems. This behaviour and the large time delay in the measurement of the controlled variable (total sugar reductor) contribute to make the design of the controller very difficult. The Phenol hydrogenation reactor to obtain Cyclohexanol, a RHODIA unit in Paulínia SP (Brazil), is a three phase reactor with solid catalyst in the reaction mixture. This process has complex heat transfer mechanisms and fast dynamic behaviour when compared with the industrial fermentation process considered in this work ...Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis Doutorado Desenvolvimento de Processos Químicos Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Doutorado Doutor em Engenharia Química

Orientador: Francisco Maugeri Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos Resumo: Os objetivos deste trabalho, englobaram a obtenção do projeto ótimo de uma planta industrial de fermentação alcoólica contínua e a elaboração da estratégia de controle mais adequada para sua operação. Através de modelagem matemática e simulações por computador, obteve-se como projeto ótimo, para as condições de operação das destilarias brasileira, àquele constituído de 4 reatores de mistura perfeita ligados em série, com a seguinte distribuição de volume em relação ao volume total de reator: 20,96% para o reator 1, 25,72% para o reator 2, 31,56% para o reator 3 e 20,76% para o reator 4. O sistema de controle é constituído de duas malhas tipo ¿SISO¿ (Single Input - Single Output). Uma para controle da temperatura de cada reator, através da manipulação da vazão de fluido de resfriamento. Outra para controle da concentração de ART (açúcares redutores totais) no efluente do reator 4, manipulando-se a vazão de meio de alimentação (mosto), ou seja, alterando-se o tempo de residência dos reatores. A estratégia de controle "FEEDBACK" foi adotada por apresentar excelente desempenho, ser a de menor complexidade e também a de menor custo viabilizando assim, sua implantação nas unidades industriais. A lei de controle utilizada para a malha de temperatura foi a proporcional e para a malha de ART as leis PI (proporcional-integral) e PID (proporcional-integral-derivativo), sendo que os parâmetros dos controladores PI e PID foram ajustados pelo procedimento de ZIEGLER-NICHOLS. Abstract: The aims of this work concern with the development of an optimal design of an industrial plant for continuous alcohol fermentation and the development of the most adequate control strategy for such a plant. Through mathematical modeling and computer simulation an optimal design was obtained, for the Brazilian industrial operating conditions, which consists of 4 (four) well-mixed fermentors linked in series, with the following volume distribution retated to the fermentor total volume: 20.96% for fermentor 1, 26.72% for fermentor 2, 31.56% for fermentor 3, and 20.76% for fermentor 4. The control system consist of two "SISO" (Single Input - Single Output) loops. One controls the temperature of each fermentor, through manipulating out-flow chilling. The other controls TRS (Total reductor sugars) concentration in the efluent from fermentor 4, manipulating the .feed medium. The FEEDBACK control strategy was adopted for its excellent performance and for being the less complex as well as presenting the lowest cost, fitting therefore the requirements of industrial units. The control law used for the temperature loop was the proportional and for the TRS loop the PI {Proportional-Integral) and PID (Proportional-Integral-Derivative) laws. The parameters for controllers PI and PID were .adjusted according to the ZIEGLER-NICHOLS procedure. Doutorado Doutor em Engenharia de Alimentos

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Neste trabalho, é desenvolvido um software para a simulação do sistema de regeneração de uma unidade industrial de craqueamento catalítico. Inicialmente, modelos determinísticos são desenvolvidos, e em seguida, utiliza-se redes neurais de Retropropagação e modelos híbridos com redes neurais. O sistema de regeneração consiste de três reatores em série com diferentes regimes hidrodinâmicos. Um reator de leito fluidizado é seguido por um reator de leito arrastado ascendente (riser) e um reator em fase diluída (freeboard). Inicialmente, a recirculação interna de sólidos entre os reatores não é considerada, e em seguida, esta recirculação é levada em consideração. Neste último caso, um procedimento iterativo é proposto para quebrar o ciclo de informações. O sistema de equações integro-diferenciais gerado na modelagem é inicialmente resolvido utilizando-se o método de Runge-Kutta e regra do Trapézios.Um procedimento alternativo é proposto, onde o método de Colocação Ortogonal é usado. Neste caso, as equações diferenciais são discretizadas e as integrais são resolvidas por quadratura. O sistema de regeneração é também simulado usando redes neurais de retropropagação. Redes neurais de processo e projeto são utilizadas. Variáveis como perfis de concentração dos componentes e perfis de temperatura são obtidos. Um modelo híbrido com redes neurais é então proposto, onde as equações de balanço de massa são resolvidas por modelos determinísticos e os perfis de temperatura são obtidos através de redes neurais Abstract: In this work, it is developed a software to simulate a regeneration system of a catalytic cracking industrial unit. Firstly, deterministic models are developed, and latter on, it is used backpropagation neural network and a hybrid model with neural network. The regeneration system is formed by a sequence of reactors with different hydrodynamic regime. A fluidized bed reactor is followed by a riser and freeboard. Initially, the solid recirculation inside of system is not taken into account, and latter on, this recirculation is considered. In this latter case, an iterative procedure is proposed to break the information cicle. The material and energy balance equations form a system of nonlinear integrodifferencial equations. Firstly, these have been solved using Runge-Kutta method and Trapezoidal Rule. An alternative procedure is proposed, where the Orthogonal Collocation Method is used. When this is the case, differencial equations are discretized and integrals are solved by Quadrature. The regeneration system is also simulated by use of Backpropagation Neural Network. Process and Project Neural Network are developed. Parameters like compounds concentration profiles and temperature profiles are obtained. A hybrid model with neural network is proposed, where the material balance is solved by deterministic model, whereas the temperature profiles are obtained by neural network Mestrado Mestre em Engenharia Química