Problemas direto e inverso de processos de separação em leito móvel simulado mediante mecanismos cinéticos de adsorção

Diversas aplicações industriais relevantes envolvem os processos de adsorção, citando como exemplos a purificação de produtos, separação de substâncias, controle de poluição e umidade entre outros. O interesse crescente pelos processos de purificação de biomoléculas deve-se principalmente ao desenvolvimento da biotecnologia e à demanda das indústrias farmacêutica e química por produtos com alto grau de pureza. O leito móvel simulado (LMS) é um processo cromatográfico contínuo que tem sido aplicado para simular o movimento do leito de adsorvente, de forma contracorrente ao movimento do líquido, através da troca periódica das posições das correntes de entrada e saída, sendo operado de forma contínua, sem prejuízo da pureza das correntes de saída. Esta consiste no extrato, rico no componente mais fortemente adsorvido, e no rafinado, rico no componente mais fracamente adsorvido, sendo o processo particularmente adequado a separações binárias. O objetivo desta tese é estudar e avaliar diferentes abordagens utilizando métodos estocásticos de otimização para o problema inverso dos fenômenos envolvidos no processo de separação em LMS. Foram utilizados modelos discretos com diferentes abordagens de transferência de massa, com a vantagem da utilização de um grande número de pratos teóricos em uma coluna de comprimento moderado, neste processo a separação cresce à medida que os solutos fluem através do leito, isto é, ao maior número de vezes que as moléculas interagem entre a fase móvel e a fase estacionária alcançando assim o equilíbrio. A modelagem e a simulação verificadas nestas abordagens permitiram a avaliação e a identificação das principais características de uma unidade de separação do LMS. A aplicação em estudo refere-se à simulação de processos de separação do Baclofen e da Cetamina. Estes compostos foram escolhidos por estarem bem caracterizados na literatura, estando disponíveis em estudos de cinética e de equilíbrio de adsorção nos resultados experimentais. De posse de resultados experimentais avaliou-se o comportamento do problema direto e inverso de uma unidade de separação LMS visando comparar os resultados obtidos com os experimentais, sempre se baseando em critérios de eficiência de separação entre as fases móvel e estacionária. Os métodos estudados foram o GA (Genetic Algorithm) e o PCA (Particle Collision Algorithm) e também foi feita uma hibridização entre o GA e o PCA. Como resultado desta tese analisouse e comparou-se os métodos de otimização em diferentes aspectos relacionados com o mecanismo cinético de transferência de massa por adsorção e dessorção entre as fases sólidas do adsorvente.

Análise global da estabilidade termodinâmica de misturas: um estudo com o método do conjunto gerador

O cálculo do equilíbrio de fases é um problema de grande importância em processos da engenharia, como, por exemplo, na separação por destilação, em processos de extração e simulação da recuperação terciária de petróleo, entre outros. Mas para resolvê-lo é aconselhável que se estude a priori a estabilidade termodinâmica do sistema, a qual consiste em determinar se uma dada mistura se apresenta em uma ou mais fases. Tal problema pode ser abordado como um problema de otimização, conhecido como a minimização da função distância do plano tangente à energia livre de Gibbs molar, onde modelos termodinâmicos, de natureza não convexa e não linear, são utilizados para descrevê-lo. Esse fato tem motivado um grande interesse em técnicas de otimização robustas e eficientes para a resolução de problemas relacionados com a termodinâmica do equilíbrio de fases. Como tem sido ressaltado na literatura, para proporcionar uma completa predição do equilíbrio de fases, faz-se necessário não apenas a determinação do minimizador global da função objetivo do teste de estabilidade, mas também a obtenção de todos os seus pontos estacionários. Assim, o desenvolvimento de metodologias para essa tarefa desafiadora tem se tornado uma nova área de pesquisa da otimização global aplicada à termodinâmica do equilíbrio, com interesses comuns na engenharia química e na engenharia do petróleo. O foco do presente trabalho é uma nova metodologia para resolver o problema do teste de estabilidade. Para isso, usa-se o chamado método do conjunto gerador para realizar buscas do tipo local em uma rede de pontos previamente gerada por buscas globais efetuadas com uma metaheurística populacional, no caso o método do enxame de partículas.Para se obter mais de um ponto estacionário, minimizam-se funções de mérito polarizadas, cujos pólos são os pontos previamente encontrados. A metodologia proposta foi testada na análise de quatorze misturas polares previamente consideradas na literatura. Os resultados mostraram que o método proposto é robusto e eficiente a ponto de encontrar, além do minimizador global, todos os pontos estacionários apontados previamente na literatura, sendo também capaz de detectar, em duas misturas ternárias estudadas, pontos estacionários não obtidos pelo chamado método de análise intervalar, uma técnica confiável e muito difundida na literatura. A análise do teste de estabilidade pela simples utilização do método do enxame de partículas associado à técnica de polarização mencionada acima, para a obtenção de mais de um ponto estacionário (sem a busca local feita pelo método do conjunto gerador em uma dada rede de pontos), constitui outra metodologia para a resolução do problema de interesse. Essa utilização é uma novidade secundária deste trabalho. Tal metodologia simplificada exibiu também uma grande robustez, sendo capaz de encontrar todos os pontos estacionários pesquisados. No entanto, quando comparada com a abordagem mais geral proposta aqui, observou-se que tal simplificação pode, em alguns casos onde a função de mérito apresenta uma geometria mais complexa, consumir um tempo de máquina relativamente grande, dessa forma é menos eficiente.

Diferenças intra e interespecíficas na atividade da fosfatase alcalina em microalgas marinhas costeiras selecionadas

A incorporação de fósforo (P) foi avaliada através da técnica de marcador enzimático fluorescente a fim de determinar a atividade da fosfatase alcalina (PA) em dois clones de Phaeodactylum tricornutum (Bohlin), Ub3 e Ub7, isolados de Ubatuba (SP), em Tetraselmis aff. chui (Butcher) e Prorocentrum minimum (Pavillard) J. Schiller, isoladas da Baía de Guanabara (RJ) e na Comunidade Natural da Baía de Guanabara (RJ). A fosfatase alcalina (PA) é uma enzima extracelular associada à membrana que catalisa a hidrólise de compostos orgânicos de fósforo em resposta à limitação de fosfato. Sua análise, a partir do marcador ELF-97, proporciona uma avaliação individual e, portanto, determina as condições nutricionais de fósforo inorgânico em células fitoplanctônicas. Os clones de P. tricornutum apresentaram diferenças no desenvolvimento quando incubados no tratamento P-repleto. O clone Ub7 de P. tricornutum apresentou a maior atividade enzimática quando comparado às demais espécies testadas, em condições P-repletas. Enquanto P. minimum apresentou a maior atividade da fosfatase alcalina em condições P-limitadas. Entre as espécies T. aff. chui e P. minimum, a maior atividade enzimática ocorreu durante a fase estacionária de desenvolvimento, entretanto diferenças foram observadas somente nas menores concentrações de fosfato. P. tricornutum, T. aff. chui e P. minimum, ao longo dos experimentos, utilizaram duas estratégias para incorporação de fosfato, aumentando a atividade da fosfatase alcalina, assim como alterando o biovolume ou a máxima dimensão linear para manter a relação S/V estável. Em P. tricornutum os sítios da atividade enzimática ocorreram na membrana celular, em T. aff. chui encontrados intracelularmente, enquanto em P. minimum observados tanto nas membranas, quanto no interior das células. No experimento realizado com a comunidade natural, houve predomínio das diatomáceas entre todos os grupos e tratamentos; as espécies foram agrupadas nas estratégias adaptativas C e R e classificadas principalmente como R-estrategistas. Os dinoflagelados da Ordem Prorocentrales utilizaram a incorporação do fósforo orgânico como estratégia para obtenção de fósforo em condições limitantes. Entretanto, as diatomáceas apresentaram tal estratégia de forma mais variável. Quanto às prasinofíceas, embora Tetraselmis sp. tenha apresentado baixa atividade enzimática nos experimentos unialgais, as concentrações de fosfato ao longo do experimento não resultaram na utilização de P orgânico para o grupo. Os resultados destacaram as diferenças intra e interespecíficas na atividade da fosfatase alcalina, e, consequentemente, na incorporação de fósforo orgânico, uma vez que as espécies testadas regularam a atividade enzimática de acordo com as diferentes concentrações externas de fosfato.