Simulation and optimization tools in paper machine concept design

The last decade has shown that the global paper industry needs new processes and products in order to reassert its position in the industry. As the paper markets in Western Europe and North America have stabilized, the competition has tightened. Along with the development of more cost-effective processes and products, new process design methods are also required to break the old molds and create new ideas. This thesis discusses the development of a process design methodology based on simulation and optimization methods. A bi-level optimization problem and a solution procedure for it are formulated and illustrated. Computational models and simulation are used to illustrate the phenomena inside a real process and mathematical optimization is exploited to find out the best process structures and control principles for the process. Dynamic process models are used inside the bi-level optimization problem, which is assumed to be dynamic and multiobjective due to the nature of papermaking processes. The numerical experiments show that the bi-level optimization approach is useful for different kinds of problems related to process design and optimization. Here, the design methodology is applied to a constrained process area of a papermaking line. However, the same methodology is applicable to all types of industrial processes, e.g., the design of biorefiners, because the methodology is totally generalized and can be easily modified.

Automatic system identification and optimization of centrifugal pump operation

Centrifugal pumps are a notable end-consumer of electrical energy. Typical application of a centrifugal pump is the filling or emptying of a reservoir tank, where the pump is often operated at a constant speed until the process is completed. Installing a frequency converter to control the motor substitutes the traditional fixed-speed pumping system, allows the optimization of rotational speed profile for the pumping tasks and enables the estimation of rotational speed and shaft torque of an induction motor without any additional measurements from the motor shaft. Utilization of variable-speed operation provides the possibility to decrease the overall energy consumption of the pumping task. The static head of the pumping process may change during the pumping task. In such systems, the minimum rotational speed changes during reservoir filling or emptying, and the minimum energy consumption can’t be achieved with a fixed rotational speed. This thesis presents embedded algorithms to automatically identify, optimize and monitor pumping processes between supply and destination reservoirs, and evaluates the changing static head –based optimization method.

Qualitative Characteristics and Quantitative Measures of Solution's Reliability in Discrete Optimization: Traditional Analytical Approaches, Innovative Computational Methods and Applicability

The purpose of this thesis is twofold. The first and major part is devoted to sensitivity analysis of various discrete optimization problems while the second part addresses methods applied for calculating measures of solution stability and solving multicriteria discrete optimization problems. Despite numerous approaches to stability analysis of discrete optimization problems two major directions can be single out: quantitative and qualitative. Qualitative sensitivity analysis is conducted for multicriteria discrete optimization problems with minisum, minimax and minimin partial criteria. The main results obtained here are necessary and sufficient conditions for different stability types of optimal solutions (or a set of optimal solutions) of the considered problems. Within the framework of quantitative direction various measures of solution stability are investigated. A formula for a quantitative characteristic called stability radius is obtained for the generalized equilibrium situation invariant to changes of game parameters in the case of the H¨older metric. Quality of the problem solution can also be described in terms of robustness analysis. In this work the concepts of accuracy and robustness tolerances are presented for a strategic game with a finite number of players where initial coefficients (costs) of linear payoff functions are subject to perturbations. Investigation of stability radius also aims to devise methods for its calculation. A new metaheuristic approach is derived for calculation of stability radius of an optimal solution to the shortest path problem. The main advantage of the developed method is that it can be potentially applicable for calculating stability radii of NP-hard problems. The last chapter of the thesis focuses on deriving innovative methods based on interactive optimization approach for solving multicriteria combinatorial optimization problems. The key idea of the proposed approach is to utilize a parameterized achievement scalarizing function for solution calculation and to direct interactive procedure by changing weighting coefficients of this function. In order to illustrate the introduced ideas a decision making process is simulated for three objective median location problem. The concepts, models, and ideas collected and analyzed in this thesis create a good and relevant grounds for developing more complicated and integrated models of postoptimal analysis and solving the most computationally challenging problems related to it.

Prevalência e fatores associados à anemia em gestantes da região semi-árida do Estado de Alagoas

OBJETIVO: determinar a prevalência e fatores de risco associados à anemia em gestantes da região semi-árida de Alagoas. MÉTODOS: estudo de caráter transversal envolvendo amostra (n=150) obtida, considerando a prevalência estimada pela Organização Mundial da Saúde de 52%, com erro de 8% e intervalo de confiança de 95%. O processo de amostragem foi realizado em três estágios: 15 dentre os 38 municípios da região, quatro setores censitários por município e 24 domicílios por setor. Nestes, eram elegíveis todas as gestantes residentes, das quais se coletaram dados socioeconômicos, demográficos, antropométricos e de saúde. A anemia foi identificada por um nível de hemoglobina <11 g/dL e sua associação com os fatores de risco foi testada por meio de análise de regressão linear múltipla. RESULTADOS: a prevalência de anemia foi de 50%. Setenta e oito por cento das gestantes estavam sob acompanhamento pré-natal. Destas, 79,3% se encontravam no segundo ou terceiro trimestre de gestação. Contudo, apenas 21,2% faziam uso de suplemento de ferro. As variáveis associadas (p<0,05) de forma independente à anemia (gestantes anêmicas versus não anêmicas) foram: maior número de membros na família (4,5±2,3 versus 4,3±2,3; p=0,02), menor faixa etária da gestante (23,9±6,3 versus 24,7±6,7; p=0,04), bem como de seu companheiro (34,5±15,8 versus 36±17,5; p=0,03), não possuir vaso sanitário em casa (30,7 versus 24%; p<0,001), história de perda de filho por abortamento e/ou mortalidade (32,4 versus 16,4%; p<0,001), residência em zona rural (60 versus 46,7%; p=0,03), renda per capita

Erradicação do herpesvírus bovino - 1 (BHV-1) de um rebanho bovino leiteiro em manejo semi-intensivo

Com o objetivo de erradicar o BHV-1 de um rebanho bovino leiteiro de alto valor genético sem a utilização de vacina, foi realizado um exame sorológico prévio em 154 animais, onde constatou-se 15,6% de reagentes ao BHV-1. A técnica utilizada foi a soroneutralização em microplacas. Dentre os animais soropositivos, as vacas vazias foram descartadas imediatamente e as prenhes isoladas e descartadas após o parto. Os bezerros apresentaram anticorpos colostrais até os seis meses de idade, motivo pelo qual não foram descartados; nos bezerros de 6 a 12 meses de idade e nas novilhas não foram diagnosticados animais soropositivos. Os animais foram examinados trimestralmente, por 21 meses, seguido de mais duas coletas semestrais. As vacas secas, prenhes e em lactação, soropositivas, revelaram ser a fonte de infecção do BHV-1. A manutenção de rebanho livre é possível, desde que sejam adotadas medidas como a utilização de sêmen livre de BHV-1, realização de quarentena no ingresso de animais e exames sorológicos anuais visando impedir a reintrodução do vírus. Com o conjunto destas medidas adotadas, a fazenda encontra-se há 18 meses livre do BHV-1.

Intoxicação por Crotalaria retusa (Fabaceae) em Eqüídeos no semi-árido da Paraíba

De 2000 a 2003 oito casos de intoxicação por Crotalaria retusa L. foram observados em eqüinos em 8 fazendas na região semi-árida da Paraíba e do Ceará. C. retusa foi encontrada no pasto em todas as propriedades. Os principais sinais clínicos foram característicos de encefalopatia hepática, com apatia ou hiperexcitabilidade, pressão da cabeça, andar compulsivo ou em círculo e, ocasionalmente, galope descontrolado e violento. Decréscimo nos reflexos dos nervos craniais, ataxia e fraqueza foram também observados. Outros sinais clínicos foram anorexia, perda de peso, fotossensibilização e icterícia. O curso clínico variou de 4 a 40 dias, mas muitos cavalos tinham um histórico prévio de perda de peso. À necropsia os fígados eram duros, com superfície irregular e áreas brancas misturadas com áreas vermelho-escuras e com aumento no padrão lobular. Icterícia moderada, ascite, hidropericárdio e hidrotorax foram também observados. Edema e moderada congestão foram observadas nos pulmões. As lesões histológicas do fígado foram caracterizadas por fibrose, principalmente periportal, megalocitose e proliferação de células dos ductos biliares. Áreas multifocais de hemorragias centrolobulares ou mediozonais foram também observadas. Necrose hemorrágica centrolobular estava presente em dois eqüinos. Foram observados astrócitos Alzheimer tipo II, isolados ou em grupos principalmente no núcleo caudato e córtex em 4 eqüinos. A intoxicação foi produzida experimentalmente em 1 eqüino e 3 asininos. O eqüino adulto, recebeu diariamente, 100 g de sementes de C. retusa e morreu aos 52 dias após o início do experimento. C. retusa inteira, seca foi misturada com capim e dada a 3 asininos adultos em doses diárias de 10 g/kg, 5 g/kg e 2,5 g/kg respectivamente. O asinino tratado com 5 g/kg morreu aos 48 dias após o início do experimento e os outros dois foram sacrificados aos 120 dias. Os sinais clínicos e a patologia foram similares aos observados nos casos espontâneos, alguns astrócitos Alzheimer tipo II foram observados somente no asinino que morreu após 48 dias do inicio da ingestão. A concentração de monocrotalina na planta inteira administrada aos asininos foi 0,5%.

Polioencefalomalacia em caprinos e ovinos na região semi-árida do Nordeste do Brasil

Descrevem-se 7 surtos de polioencefalomalacia em caprinos e 3 surtos em ovinos no semi-árido nordestino. Foram afetados animais de diversas idades em diferentes épocas do ano. Em 5 surtos os animais eram suplementados com concentrados e em 5 consumiam somente pastagem. Em um dos surtos os ovinos estavam recebendo à vontade uma mistura múltipla contendo 1,3% de flor de enxofre. Os sinais clínicos caracterizaram-se por cegueira, depressão, pressão da cabeça contra objetos, andar em círculos, ranger de dentes, incoordenação, paralisia espástica, ataxia, diminuição dos reflexos palpebral e pupilar, estrabismo lateral, nistagmo e pupilas dilatadas. De 9 animais tratados com tiamina e dexametasona, 7 se recuperaram e 2 morreram. O diagnóstico foi feito com base na recuperação após o tratamento e/ou a presença de alterações histológicas características. O curso clínico variou de 2 a 15 dias. Três animais foram necropsiados. Um animal apresentou herniação do cerebelo em direção ao Forame magno e amolecimento das circunvoluções cerebrais e, ao corte, coloração amarelada e cavitação da substância cinzenta do córtex. Outro animal apresentou somente herniação do cerebelo. No terceiro animal não foram observadas lesões macroscópicas. As alterações histológicas caracterizaram-se por necrose laminar do córtex cerebral e, em dois animais, por lesões de malácia no tálamo e colículo rostral. Desconhece-se a etiologia em 9 dos surtos estudados. Em outro se sugere que tenha sido causado por intoxicação por enxofre, contido principalmente na mistura múltipla constituída por com 1,3% de flor de enxofre (96% de enxofre) e 30% de cama de galinha (0,39% de enxofre).

Mortalidade perinatal de cordeiros no semi-árido da Paraíba

As causas de mortalidade perinatal em ovinos foram estudadas de março de 2002 a outubro 2004 em 27 fazendas da região semi-árida da Paraíba. De 90 cordeiros necropsiados, 41,1% morreram de infecções neonatais, 23,3% por malformações, 10% por inanição/hipotermia, 10% por distocia, 2,2% por predação e 4,4% foram abortos sem causa identificada. Em relação ao momento da morte, 4,4% dos cordeiros morreram antes do parto, 10% durante o parto, 30% no primeiro dia de vida, 20% entre o 2º e 5º dia e 35,6% entre o 4º e 28º dia após o parto. A assistência das ovelhas durante o parto, a desinfecção do umbigo dos cordeiros, a ingestão de colostro 2 a 6 horas após o parto, e a manutenção das ovelhas em locais adequados durante e após o parto contribuiriam para diminuir as mortes perinatais por distocia e infecções neonatais. A alta freqüência de malformações, em diferentes raças, sugere que esses defeitos sejam causados por uma planta tóxica. Os principais defeitos observados foram a flexão permanente dos membros anteriores, braquignatismo, fenda palatina e outras alterações dos ossos da cabeça. Recentemente foi demonstrado o efeito teratogênico de Mimosa tenuiflora ("jurema-preta"), uma planta muito comum na região semi-árida, nas áreas de caatinga, que aparentemente é responsável pelas malformações. Os cordeiros mortos por inanição/hipotermia tiveram baixo peso ao nascimento (1,37 ± 0,7kg) o que sugere que a principal causa dessas mortes é a deficiente nutrição da mãe durante o último terço da gestação. Considerando-se que na região nordeste, na maioria das fazendas, os carneiros permanecem com as ovelhas durante todo o ano, a adoção de uma estação de monta definida contribuiria para a diminuição da mortalidade perinatal.

Mortalidade perinatal em cabritos no semi-árido da Paraíba

As causas de mortalidade perinatal em cabritos foram estudadas de maio de 2002 a agosto de 2004. Em 118 cabritos necropsiados as causas de morte foram: infecção neonatal (50%), distocia (12,71%), complexo hipotermia/inanição (11,86%), malformações (7,62%), síndrome do cabrito mole (6,77%) e abortos (1,69%). Com relação ao momento da morte 1,69% dos cabritos morreram antes do parto, 16,94% durante o parto e 81,34 % após o nascimento. A alta ocorrência de infecções neonatais, distocias e hipotermia/inanição é provavelmente devido a fatores relacionados com erros no manejo sanitário, reprodutivo e nutricional. Artogripose dos membros anteriores foi a principal malformação observada. Este defeito é endêmico em rebanhos de caprinos no semi-árido do Brasil. A maioria das mortes ocorreu após o nascimento (25,42%) e do quarto ao vigésimo dia de vida (38,98%) sugerindo que o cuidado com os cabritos durante os primeiros 28 dias de vida é importante para melhorar as taxas de sobrevivência dos mesmos.

Intoxicação por Sorhgum halepense (Poaceae) em bovinos no semi-árido

Descreve-se um surto de intoxicação por Sorghum halepense (L.) Pers. no município de Santa Luzia, semi-árido da Paraíba. Nove bovinos foram colocados numa pastagem com S. halepense em fase de rebrota, com 25-30cm de altura, 15 dias após as primeiras chuvas. Sinais clínicos de dispnéia, ansiedade, tremores musculares e incoordenação apareceram 10-15 minutos após a ingestão. Dois animais morreram em um período aproximado de 3 horas. Na necropsia observaram-se congestão e cianose das mucosas, musculatura escura, pulmão com pontos hemorrágicos e edema, além de folhas da planta no rúmen. A planta foi positiva no teste do papel picrosódico. Mudas de S. halepense coletadas no Município de Currais Novos, Rio Grande do Norte, onde havia históricos de uma intoxicação semelhante, foram plantadas em vasos e realizado o teste de papel picrosódico a cada 15 dias. A planta foi positiva para HCN durante todos os estágios, sendo que nos primeiros 45 dias a reação ocorreu dentro de 1 minuto e, posteriormente, em até 3 minutos. Trinta dias após ter sido plantada, a planta de um dos vasos foi administrada a um caprino causando sinais característicos de intoxicação cianídrica na dose de 11,8g/kg de peso do animal. O caprino se recuperou após tratamento com uma solução de tiossulfato de sódio a 20% na dose de 5mL/10kg. No semi-árido, S. halepense é freqüentemente encontrado como invasora em beiras de açudes e culturas irrigadas, sendo utilizado como forrageira, na época seca, em áreas de vazante.

Fotossensibilização primária em eqüídeos e ruminantes no semi-árido causada por Froelichia humboldtiana (Amaranthaceae)

Fotossensibilização é freqüente em eqüinos no semi-árido da região Nordeste, mas jumentos, mulas, ovinos e bovinos são, também, afetados. A dermatite afeta, principalmente, áreas de pele despigmentadas e os animais se recuperam após serem retirados das pastagens. Para comprovar a etiologia da enfermidade Froelichia humboldtiana (Roem. et Schult.) Seub., coletada no campo foi administrada no mesmo dia da colheita ou após ser mantida em refrigerador por 1-4 dias, por períodos de 30 ou mais dias, ad libitum como único alimento, a 2 jumentos e um ovino branco e, como único alimento volumoso, a um eqüino branco. Esses animais não manifestaram sinais clínicos e as atividades séricas de gama-glutamiltransferase (GGT), aspartato-aminotransferase (AST) e alanino-aminotransferase (ALT) ficaram dentro dos valores normais. Em outro experimento, um ovino foi colocado a pastar diariamente, durante o dia, preso por uma corda em uma área que tinha exclusivamente F. humboldtiana, por um período de 26 dias. Lesões características de fotossensibilização foram observadas 4-5 dias após o início do experimento. Após cessar o consumo da planta, no 26º dia, o ovino recuperou-se totalmente em 30 dias. Em outro experimento, 4 ovinos foram também colocados, presos por cordas, na mesma área. Outros 4 permaneceram como controles em uma pastagem vizinha, mas sem F. humboldtiana. Lesões de pele, características de fotossensibilização foram observadas após 11-25 dias de consumo de F. humboldtiana. As atividades séricas de AST e GGT, e os níveis de bilirrubina sérica permaneceram dentro dos valores normais. No final do período de permanência em pastagens de F. humboldtiana, 2 ovinos foram abatidos e 2 foram retirados da pastagem. Os que foram abatidos não apresentaram lesões macroscópicas nem histológicas do fígado; os outros dois se recuperaram das lesões da pele 17 e 20 dias após o fim do pastejo. Uma égua e seu potro foram colocados na mesma pastagem com F. humboldtiana por um período de 44 dias. A égua, que não tinha áreas de pele despigmentadas não apresentou lesões, no entanto o potro desenvolveu dermatite nas áreas brancas de pele 25 dias após o início do pastejo. Após serem retirados da pastagem o potro recuperou-se totalmente em 15 dias. Estes experimentos indicam que F. humboldtiana causa fotossensibilização primária em animais domésticos. A ausência de lesões nos animais que ingeriram a planta após ser coletada e mantida em geladeira sugere que a planta perde sua toxicidade depois da coleta. A ausência de lesões oculares características da intoxicação por furocumarinas sugere que F. humboldtiana contém derivados da naftodiantrona, similares aos encontrados em Fagopyrum esculentum e Hypericum perforatum que não causam lesões oculares.

Doenças do sistema nervoso central em caprinos e ovinos no semi-árido

O conhecimento das doenças dos animais domésticos, nas diferentes regiões do Brasil é importante para determinar formas eficientes de profilaxia e controle. Este trabalho tem como objetivo descrever a epidemiologia, sinais clínicos e patologia das enfermidades do sistema nervoso central (SNC) de caprinos e ovinos, que ocorreram de janeiro de 2000 a maio de 2006 no semi-árido, principalmente do estado da Paraíba. Durante o período, 365 casos ou surtos foram diagnosticados em caprinos e 270 em ovinos. Desses, 63 (9,92%) eram doenças do SNC, sendo 34 (9,31%) em caprinos e 29 (10,7%) em ovinos. As principais enfermidades foram abscessos (19,04%), tétano (15,9%), raiva (9,52%) intoxicação por Ipomoea asarifolia (7,93%), listeriose (6,34%), trauma (6,34%), polioencefalomalacia (4,77%), toxemia da prenhez (3,17%), ataxia enzoótica (3,17%) e meningite (3,17%). Outras doenças diagnosticadas numa única oportunidade (1,59%) foram intoxicações por Crotalaria retusa, Ipomoea carnea, Ipomoea sericophylla e Prosopis juliflora, otite com encefalite, malformação, linfossarcoma linfoblástico, meduloblastoma e necrose simétrica focal. Em 6,34% dos casos o diagnóstico foi inconclusivo.

Inquérito soro-epidemiológico e fatores de risco associados à infecção por Brucella ovis em carneiros deslanados do semi-árido da Paraíba

Foi realizado um levantamento soro-epidemiológico da brucelose por Brucella ovis em reprodutores ovinos deslanados na Paraíba com os objetivos de verificar a prevalência e distribuição da infecção por B. ovis em propriedades rurais e analisar os possíveis fatores de risco associados à infecção. Foram investigadas 283 propriedades criadoras de ovinos, das quais foram colhidas 498 amostras de soro sanguíneo de carneiros, a partir de oito meses de idade, nas mesorregiões do Sertão Paraibano e Borborema. Todos os soros foram examinados pela IDGA (teste de triagem) e RFC (teste confirmatório). De acordo com as análises, 8,59% (I.C.95% = 5,83%-12,48%) das propriedades apresentaram evidência sorológica de infecção por B. ovis, com uma prevalência de 5,57% (I.C.95% = 3,86%-7,97%) de reprodutores sororreagentes. Nas propriedades que higienizavam suas instalações com maior freqüência, a soropositividade foi estatisticamente inferior (p < 0,05).

Experimental poisoning by Senecio brasiliensis in calves: quantitative and semi-quantitative study on changes in the hepatic extracellular matrix and sinusoidal cells

Extracellular matrix plays an important role in chronic hepatic lesions and has been studied in experimental intoxication models. However in cattle, studies on chronic disease have focused on the hepatocellular damage and extracellular matrix (ECM) changes are usually overlooked. There are no specific studies on the hepatic ECM in either normal or chronically damaged bovine liver. Thus an experimental model of hepatic toxicity model using Senecio brasiliensis poisoned calves was designed. Senecio brasiliensis contains pyrrolizidine alkaloids which cause either acute or chronic progressive dose dependent liver damage. Five calves were orally fed with 0.38g of dry leaves of S. brasiliensis/kg/day for 24 days. Liver needle biopsy specimens were obtained every 15 days for 60 days. Clinical signs of digestive complications appeared at 3rd week. One calf died on 45th day and four were evaluated up to 60th day. Biopsy samples were processed for routine light microscopy, immuno-histochemistry and transmission electron microscopy. From 30th day on progressive liver damage characterized by hepatocellular ballooning, necrosis, apoptosis and megalocytosis, centrilobular, pericellular and portal fibrosis were seen by light microscopy. Quantitative and semi-quantitative measurements of hepatic ECM components were performed before and after the onset of lesions. Morphometric analysis of total collagen and elastic fiber system was conducted. Total collagen and I and III collagen types progressively increased in throughout the liver of affected calves. Changes in location, amount and disposition of the elastic fiber system were also observed. Then numbers of Kupffer cells were significantly increased at 30th day and total numbers of sinusoidal cells were significantly increased at 45th and 60th days. Liver damage was progressive and irreversible even after the exposure to the plant was discontinued. Severe fibrotic lesions occurred mainly in portal tracts, followed by veno-occlusive and pericellular fibrosis. Collagen types I and III s were present in every normal and damaged liver, with predominance of type I. In affected calves the increase of total collagen and elastic fibers system paralleled the number of total sinusoidal cells.