Modelagem e simulação de um reator tubular contínuo para a produção de biodiesel

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaO impacto ambiental devido ao uso de combustíveis fósseis e as questões políticas envolvendo seu uso tem impulsionado a busca por combustíveis derivados da biomassa. Desta forma, o biodiesel tem aparecido nesse contexto com o objetivo de substituir, parcialmente ou totalmente, a utilização de combustíveis derivados de petróleo. O biodiesel é definido como uma mistura de ésteres obtidos principalmente a partir da reação de triglicerídeos e álcool. A reação mais comumente utilizada para sua síntese é a transesterificação. Este trabalho tem como objetivo desenvolver um modelo multifísico, empregando o método de elementos finitos, para a produção de biodiesel em reator tubular, considerando escala laboratorial e industrial. A reação de transesterificação foi idealizada segundo uma proporção molar de 1:5 (óleo de colza:metanol), considerando catalisador básico, juntamente com um modelo cinético completo, incluindo as reações diretas e reversas. Foram estudados aspectos da transferência de massa, calor e quantidade de movimento ao longo do reator. Foi analisado o efeito da presença do meio poroso e da prática de mistura prévia dos reagentes à injeção no reator, juntamente com o efeito da perda de calor por fluxo convectivo nas paredes do reator. Verificou-se que a reação do óleo de colza e metanol é muito rápida, atingindo altas conversões (99,44%) em poucos minutos de reação. Com relação à cinética reacional da produção de biodiesel, os dados obtidos por meio do modelo desenvolvido foram validados com dados experimentais da literatura, obtendo-se boa concordância entre estes e o modelo. Verificou-se que o reator tubular estudado possui comportamento teórico de um Reator Perfeitamente Misturado, apresentando um grande desvio do ideal Plug Flow. Constatou-se a partir do Planejamento Fatorial 23 que as variáveis temperatura e razão molar (metanol:triglicerídeo) são significativas com relação à conversão em biodiesel, juntamente com a interação entre elas, sendo seus efeitos positivos, ou seja, quanto maiores os valores para tais variáveis, maior será a conversão em biodiesel obtida. O modelo de regressão ajustado apresentou um excelente coeficiente de determinação, podendo ser empregado para fins preditivos. A utilização da plataforma multifísica para a simulação por meio do método de elementos finitos se mostrou uma ferramenta valiosa para o estudo da produção de biodiesel em sistemas contínuos, nos quais se pode colocar em evidência aspectos fenomenológicos do escoamento reativo. Tal estudo é importante por fornecer parâmetros que podem ser empregados para descrever o sistema reacional e auxiliar no projeto e otimização de reatores tubulares, visando condições ótimas de operação.The environmental impacts due to the use of fossil fuels and the political issues surrounding its use have driven the search for fuels derived from biomass. Thus, biodiesel has appeared in this context in order to replace partially or totally the use of petroleum fuels. Biodiesel is defined as a mixture of esters derived mainly from the reaction of triglycerides and alcohol. The reaction most commonly used for their synthesis is the transesterification. This work aims to develop a multiphysics model using the finite element method for biodiesel production in tubular reactor considering laboratorial and industrial scale. The transesterification reaction was idealized according a molar ratio of 1:5 (rapeseed oil: methanol), considered basic catalyst, together with a complete kinetic model, including direct and reverse reactions. Aspects of mass transfer, heat and momentum along the reactor was studied. The effect of the presence of the porous medium and the mixing process of reactants prior to the injection into the reactor, together with the effect of heat loss by convective flows in the walls of the reactor were analyzed. It was found that the reaction of rapeseed oil and methanol was very fast, reaching high conversions ratio (99.44%) in a few minutes of reaction. About the reactional kinetics for the biodiesel production, the data obtained through the developed model was validated with experimental data from the literature, obtaining good agreement between these and the model. It was found that the studied tubular reactor has the same theoretical behavior of a Perfectly Mixed Reactor with a large deviation from the ideal Plug Flow. It was found from the Factorial Design 23 that the variable of temperature and molar ratio (methanol:triglyceride) are significant in relation to the biodiesel conversion, along with the interaction between them and its positive effects, that is, the higher the values for these variables, the greater the conversion of the biodiesel obtained. The adjusted regression model showed an excellent coefficient determination. It can be used for predictive purposes. The use of the multiphysics platform for the simulation using the finite element method has proved a valuable tool for studying the production of biodiesel in continuous systems, in which bringing to light phenomenological aspects of the reactive flow. This study is important to provide parameters that can be used to describe the reaction system and assist in the design and optimization of tubular reactors, aiming at optimal operating conditions

Extração de inulina do alho (Allium Sativum L. var. Chonan) e simulação dos processos em batelada e em leito fixo

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaA inulina tem sido utilizada como um ingrediente alimentício, atualmente fazendo parte dos alimentos funcionais. Quando incorporada à dieta, a inulina atua como "prebiótico", promovendo o desenvolvimento seletivo de microrganismos benéficos. Além dessa ação, apresenta também outras funções na saúde, agindo como fibras dietéticas. O consumo de inulina também contribui para o melhoramento do equilíbrio mineral do cálcio, magnésio e ferro. A inulina também apresenta interesse tecnológico/funcional. Pode ser considerada um ingrediente alternativo que permite substituir gorduras com sucesso, produzindo sensação similar na boca. Também pode ser utilizada como fonte natural e alternativa de açúcar (frutose) com baixo teor calórico. Além das propriedades já referidas, a inulina exibe outras propriedades interessantes como a da ação estabilizante de espumas e emulsões. Este trabalho tem por objetivo o estudo de diferentes condições e alternativas para a extração da inulina do alho (Allium sativum L. var. Chonan), seguido da modelagem e simulação dos dados experimentais. Os efeitos da temperatura sobre o rendimento de extração de inulina do alho foi analisado em batelada, a qual foi realizada por imersão de alho cortado em água, na proporção de 1:5 (M/V) por 1 hora, sob agitação, a 25, 45, 60, 75 e 90°C, seguido de filtração. O processo em fluxo contínuo foi realizado em coluna de leito fixo com passagem única e com recirculação do solvente, variando a vazão em 0,59; 2,4; e 4,7 cm3/min para ambos os casos, na temperatura de 60°C. O sistema de extração foi formado de uma coluna cilíndrica de vidro com capacidade interna de 60 cm3, recheada com alho fatiado e pérolas de vidro na proporção de 1:2 (inerte:alho) em massa. Em todas as condições de estudo foi realizado a cinética de extração de inulina e esgotamento dos açúcares do alho até o equilíbrio. Extraiu-se inulina por maceração até formação de pasta, seguido de processos de lavagem e peneiramento em cada etapa, a temperatura ambiente. Dentre os processos estudados, a extração em coluna com passagem única de solvente demonstrou-se mais vantajosa, no que se refere ao conteúdo de inulina extraído, tempo de extração e economia de energia e equipamentos para o sistema. Na simulação do processo em batelada, o modelo difusivo de duas resistências consegue descrever satisfatoriamente a cinética de extração de inulina do alho em batelada com agitação constante e para diferentes temperaturas. Para a simulação em coluna, apesar da dispersão nos dados experimentais, o modelo descreveu de forma satisfatória as diferentes configurações estudadas

Avaliação da atividade de monitoria aplicada a disciplina de refrigeração na indústria de alimentos / Evaluation of the monitoring activity applied to the subject of refrigeration in the food industry

A monitoria é um serviço de apoio pedagógico que visa oportunizar o desenvolvimento de habilidades técnicas e aprofundamento teórico, proporcionando o aperfeiçoamento acadêmico. Este trabalho teve como objetivo apresentar os resultados obtidos durante o período de desenvolvimento da monitoria referente a disciplina de refrigeração na indústria de alimentos, no semestre 2017_1. Durante a atividade os monitores resolveram exercícios extras no horário da monitoria e auxiliaram na solução de dúvidas com relação ao conteúdo visto em aula. Constatou-se que os alunos que participaram da monitoria apresentaram um bom desempenho na disciplina, além de ter sido muito produtivo para o monitor com relação ao desenvolvimento de suas habilidades didáticas e interpessoais

Cinética de secagem de pera Argentina (Pyrus communis L.) e pera Willians (Pyrus communis 'Williams') / Drying kinetics of Argentine pear (Pyrus communis L.) and Willians pear (Pyrus communis 'Williams')

A pera é muito apreciada por suas propriedades nutritivas e pelo delicado sabor, sendo uma fruta de baixo valor calórico. A escolha do tipo de secagem a ser utilizada depende de fatores que englobam desde as características do material a ser desidratado até as propriedades do ar de secagem. O presente trabalho teve como objetivo principal determinar as curvas de secagem da pera (Pyrus spp ) do gênero  Argentina e Willians  através do uso de um secador de bandejas em uma temperatura de 60°C com velocidade do ar aproximada de 2m/s. Foi possível caracterizar a secagem pelo mecanismo de difusão e determinar o coeficiente difusivo de transferência de massa das amostras de Pera Argentina e Pera Willians, sendo o valor de constante de secagem igual a -0,0155 min-1 para a amostra de Pera Argentina e de -0,0164 min-1 para a amostra de Pera Willians. Os valores de difusividade efetiva são 0,0003926 cm²/min para a amostra de Pera Argentina e 0,000415 cm²/min para a amostra de Pera Willians

Contribuição da atividade de monitoria na disciplina de operações unitárias I do curso de engenharia de alimentos / Contribution of the monitoring activity in the unit operations I discipline of the food engineering course

A atividade de monitoria tem a finalidade de promover a cooperação mútua entre discente e docente e a vivência com o professor e as suas atividades técnico-didáticas. Neste trabalho o monitor auxiliou o professor no atendimento aos alunos no período alterativo ao horário das aulas no qual, em conjunto com o professor, conseguiu reforçar aos alunos as informações e conceitos vistos em sala de aula, porém de uma forma individualizada.  O fato do monitor, ser um aluno, contribuiu a favor da atividade, em virtude do acesso facilitado aos colegas, podendo desta forma ajudá-los, sanar suas eventuais dúvidas remanescentes da aula

Influência da temperatura na secagem da casca do mangostin (Garcinia mangostana) e avaliação de modelos matemáticos: Influence of temperature at drying the mangosteen´s (Garcinia mangostana) peel and analysis of mathematical models

O mangostin (Garcinia mangostana) é uma fruta tropical original do sudeste da Ásia, sendo que as diferentes xantonas presente em sua casca despertou grande interesse na indústria farmacêutica e alimentícia. Este trabalho teve por objetivo analisar a cinética da secagem do mangostin em diferentes temperaturas, e ajustar modelos matemáticos aos dados experimentais. O coeficiente de determinação (R2), erro percentual médio absoluto (MAPE) e erro quadrático médio (MSE) foram utilizados para analisar o grau de ajuste dos modelos. Verificou-se que o tempo mínimo para a secagem foi de 13h para a temperatura de 50oC, e os valores obtidos para a difusividade efetiva variou de 2,06.10-3 a 2,55.10-3 cm2.min-1 para as temperaturas estudadas. Com relação ao ajuste dos modelos, o de Midilli foi o que melhor representou os dados experimentais da cinética do mangostin, seguido do modelo Logarítimo

Determinação da cinética de secagem de kiwi amarelo (Actinidia chinensis) e kiwi verde (Actinidia deliciosa) / Determination of the drying kinetics of yellow kiwi (Actinidia chinensis) and green kiwi (Actinidia delicious)

O kiwi é um fruto rico em sais minerais. Cerca de 90% do seu peso é constituído por água. O fruto vem despertando grande interesse, por seu potencial produtivo e baixo custo de produção. Por ser uma fruta de alta perecibilidade que necessita de cuidados adequados, a secagem da fruta in natura pode ser um meio alternativo para sua comercialização. A obtenção dos kiwis amarelo (Actinidia chinensis) e verde (Actinidia deliciosa) foi realizada em um mercado local da região de Dourados – MS, Brasil. Este trabalho teve como objetivo o estudo da cinética de secagem pelo mecanismo da difusão mássica, a partir de fatias de duas variedades da fruta de kiwi. As frutas foram cortadas em fatias de 4 mm de espessura e colocados em secador de bandejas com temperatura 60°C. A velocidade do ar foi constante no valor de aproximadamente 2 m/s. A secagem do kiwi foi eficiente, pois a umidade de equilíbrio encontrada foi próxima de zero, e a difusividade efetiva obtida está na mesma ordem da encontrada na literatura, que foi de 9,9214x10-4 cm²/min para o kiwi amarelo, e 1,0310x10-4 cm²/min para o kiwi verde.

Effect of soy protein/starch edible coatings on drying kinetics of french fries

The potato (Solanum tuberosum) is an annual herbaceous, growing up to 100 cm in height and produces a tuber that ranks as the fourth world food crop, after maize, wheat and rice. Although the United States is the fifth largest potato producer in the world, only a third of the potatoes is consumed fresh and 60% of annual output is processed into frozen products such as frozen French fries and wedges, crisps, dehydrated potato and starch. In Brazil, the annual consumption is around 14 kg per inhabitant, but this market is changing, particularly for processed potato snacks. The development of chronic non-communicable diseases is associated with several factors such as inadequate physical activity, excess intake of calories and fat, inadequate intake of vitamins and minerals, excessive alcohol consumption and genetics. The increase in the consumption of fried foods is critical, requiring alternatives to reduce the absorption of fats from fried foods. It is known that some edible coatings are able to reduce the oil absorption during the frying process (e.g., coatings based on hydroxypropyl methylcellulose and whey; guar gum; carboxymethylcellulose and pectin; Basil seed gum and salep; whey protein and pectin in the presence of transglutaminase; methylcellulose). One of the limitations of the implementation of this technological innovation in the industry is that few studies focusing on the effect of different drying parameters on covered foods may be found in literature and, in most studies, the foods are dried at room temperature, which would require longer processing time. In this context, this book chapter aimed to study the role of edible coatings based on natural polymers (soy protein-SPI and potato starch) on process variables such as drying temperature and time. Kinetic modeling was used to study the drying behavior of potatoes after applying the coating. The Fick equation was considered to calculate the mass diffusivityPostprint (published version

Correlation between heavy metal ions (copper, zinc, lead) concentrations and root length of Allium cepa L. in polluted river water

The present work was performed using the common onion (Allium cepa L.) as a bioindicator of toxicity of heavy metals in river water. The test waters were collected at two sampling sites: at the beginning and the end of the Toledo River. The bulbs of A. cepa L. were grown in test water with nine concentration levels of copper, zinc and lead from 0.1 to 50 ppm. In the laboratory, the influence of these test liquids on the root growth was examined during five days. For test liquids containing below 0.03-ppm dissolved Cu the root growth was reduced by 40% However, the same reduction occurred for 1-ppm dissolved Zn. For dissolved Pb, results reveal toxicity above 0.1 and 0.6 ppm at the beginning and the end of the Toledo river water, respectively.<br>O presente trabalho foi realizado utilizando a cebola comum (Allium cepa L.) como bioindicador da toxicidade de metais pesados em água de rio. As águas de teste foram coletadas em dois locais: na nascente e na foz do rio Toledo. Os bulbos de A. cepa L. foram cultivados em água de teste com nove níveis de concentração de cobre, zinco e chumbo de 0,1 a 50 ppm. Em laboratório a influência destes líquidos de teste em crescimento de raiz foi examinada durante cinco dias. Em todos os líquidos de teste o metal dissolvido contido foi medido pela técnica TXRF. Para líquidos de teste contendo 0,1-ppm de Cu dissolvido o crescimento da raiz foi reduzido em 50%. Entretanto, ocorreu a mesma redução para 1-ppm de Zn dissolvido. Para Pb dissolvido, o método do Allium teste revela toxidade acima de 0,1 e 0,5 ppm para a nascente e a foz do rio Toledo, respectivamente