FLOW PROPERTIES AND TUBE FRICTION FACTOR OF MILK CREAM: INFLUENCE OF TEMPERATURE AND FAT CONTENT

The rheological behavior of milk cream was studied for different fat contents (0.10 to 0.31) and for a wide temperature range (2 and 87C) using a rotational rheometer. Newtonian behavior was observed, except for fat content between 0.20 and 0.31 and temperature between 2 and 33C, where viscoplastic behavior was remarkable. The rheological parameters (Newtonian viscosity, plastic viscosity and yield stress) and density were well correlated to temperature and fat content. Tube friction factor during flow of cream was experimentally obtained at various flow rates, temperatures and tube diameters (86 < Re < 2.3 x 104, 38 < Re(B) < 8.8 x 103, 1.1 x 103 < He < 6.7 x 103). The proposed correlations for density and rheological parameters were applied for the prediction of friction factor for laminar and turbulent flow of cream using well-known equations for Newtonian and viscoplastic flow. The good agreement between experimental and predicted values confirms the reliability of the proposed correlations for describing the flow behavior of cream. PRACTICAL APPLICATIONS This paper presents correlations for the calculation of density and rheological parameters (Newtonian viscosity, Bingham plastic viscosity and yield stress) of milk cream as functions of temperature (2-87C) and fat content (0.10-0.31). Because of the large temperature range, the proposed correlations are useful for process design and optimization in dairy processing. An example of practical application is presented in the text, where the correlations were applied for the prediction of friction factor for laminar and turbulent tube flow of cream using well-known equations for Newtonian and viscoplastic flow, which are summarized in the text. The comparison with experimental data obtained at various flow rates, temperatures and tube diameters showed a good agreement, which confirms the reliability of the proposed correlations.

FLOW PROPERTIES and TUBE FRICTION FACTOR of MILK CREAM: INFLUENCE of TEMPERATURE and FAT CONTENT

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Aerosol transport in a bifurcating tube at cyclic flow

Branching tube flow is a common feature of many fields of science and technology, and occurs both in animate and inanimate systems [1]. The transport of aerosol particles is of particular importance in industrial flow networks but also for the respiratory tree [2]. In this analysis a 3-D numerical study is performed to investigate transport and deposition of aerosol particles in branching tubes. Bifurcation tubes designed according to Hess-Murray law [3] but with different branching angles are analyzed. This study covers cyclic flow conditions at frequencies of 0.25 Hz, 0.50 Hz and 0.75 Hz, Stokes numbers ranging between 0.03 and 0.25, and Reynolds numbers up to 3000.

Turbulenttisen putkivirtauksen numeerinen mallinnus.

Numeerisella mallinnuksella on tavoitteena täydentää ja korvata kokeellista tutkimusta. Tässä tutkimuksessa on mallinnettu CFX 4.1- ja CFX 4.2-ohjelmien avulla lämmönsiirtoa putken sisäpinnalla. Virtausaineena putkessa on käytetty vettä ja vesi-monopropyleeniglykoliliuosta. Tarkasteltujen virtaustapausten Reynoldsin luku vaihtelee 200 - 30000. Kun glykolipitoisuus on suuri ja liuoksen lämpötila on pieni virtaus on laminaarista ja tällöin lämmönsiirtymiskerroin on pieni. Lämmönsiirron tehostamiseksi putkeen on asennettu turbulaattorilanka. Työssä on selvitetty edellytyksiä mallintaa hydraulisesti sileässä putkessa tapahtuvaa virtausta. Reynoldsin luvun ollessa alle 2300 mallinnuksessa on käytetty laminaarimallia. Reynoldsin luvuilla 2300-30000, turbulenttisella alueella, on käytetty pienten Reynoldsin luvun k-ɛ-mallia. Malli vaatii toimiakseen tiheän laskentaverkon putken seinämän läheisyydessä. Tarkastellulla alueella virtauksen ja lämmönsiirron mallinnuksen tulokset ovat vastaavat kuin teorian perusteella lasketut ja kokeellisista mittauksista saatavat tulokset. Lämmönsiirron tehostamiseksi putkeen on asennettu turbulaattorilanka. Tässä työssä on numeerisin menetelmin (pienten Reynoldsin luvun k-ɛ-malli ja k-ɛ-malli) suoritettu laskentaa yhdellä turbulaattorilankarakenteella. Laskennan vertailuaineistona on käytetty aikaisemmasta kokeellisesta tutkimuksesta saatua mittausdataa. Kokeellisessa tutkimuksessa turbulaattorirakenteena on käytetty putken seinämällä kiertyvää turbulaattorilankaa. Todellinen kolmiulotteinen geometria osoittautui vaikeaksi mallintaa. Toimivaa mallia ei ollut mahdollista toteuttaa aikataulun puitteissa ja mallin laskentakapasiteetin tarve kasvoi liian suureksi. Lankarakenne yksinkertaistettiin tasavälein toistuvaksi riparakenteeksi, joka on helpompi mallintaa aksisymmetriaa käyttäen kaksiulotteisena. Mallin tuloksista painehäviö asettuu kirjallisuudesta saatavan vertailuaineiston kanssa samalle tasolle, mutta lämmönsiirtymiskerroin on vertailuaineistoa huomattavasti suurempi.

Uma célula eletroquímica de fluxo para modificação permanente de tubo de grafite empregado em absorção atômica

A flow cell assembled on the original geometry of a graphite tube to achieve permanent chemical modifier is proposed. The graphite tube operates as the working electrode. A stainless steel tube, positioned downstream from the working electrode, was used as the auxiliary electrode. The potential value applied on the graphite electrode was measured against a micro reference electrode (Ag/AgCl) inserted into the auxiliary electrode. Palladium solutions in acetate buffer (100 mmol L-1, pH = 4.8), flowing at 0.5 mL min-1 for 60 min was used to perform the electrochemical modification. A mercury solution (1 ng) was used to evaluate the performance of the permanent palladium modifier.

Influence de l’agrégation érythrocytaire sur la migration axiale de microparticules simulant des plaquettes sanguines

Lors du phénomène d’hémostase primaire ou de thrombose vasculaire, les plaquettes sanguines doivent adhérer aux parois afin de remplir leur fonction réparatrice ou pathologique. Pour ce faire, certains facteurs rhéologiques et hémodynamiques tels que l’hématocrite, le taux de cisaillement local et les contraintes de cisaillement pariétal, entrent en jeu afin d’exclure les plaquettes sanguines de l’écoulement principal et de les transporter vers le site endommagé ou enflammé. Cette exclusion pourrait aussi être influencée par l’agrégation de globules rouges qui est un phénomène naturel présent dans tout le système cardiovasculaire selon les conditions d’écoulement. La dérive de ces agrégats de globules rouges vers le centre des vaisseaux provoque la formation de réseaux d’agrégats dont la taille et la complexité varient en fonction de l’hématocrite et des conditions de cisaillement présentes. Il en résulte un écoulement bi-phasique avec un écoulement central composé d’agrégats de globules rouges avoisinés par une région moins dense en particules où l’on peut trouver des globules rouges singuliers, des petits rouleaux de globules rouges et une importante concentration en plaquettes et globules blancs. De ce fait, il est raisonnable de penser que plus la taille des agrégats qui occupent le centre du vaisseau augmente, plus il y aura de plaquettes expulsées vers les parois vasculaires. L'objectif du projet est de quantifier, in vitro, la migration des plaquettes sanguines en fonction du niveau d’agrégation érythrocytaire présent, en faisant varier l’hématocrite, le taux de cisaillement et en promouvant l’agrégation par l’ajout d’agents tels que le dextran à poids moléculaire élevé. Cependant, le comportement non Newtonien du sang dans un écoulement tubulaire peut être vu comme un facteur confondant à cause de son impact sur l’organisation spatiale des agrégats de globules rouges. De ce fait, les études ont été réalisées dans un appareil permettant de moduler, de façon homogène, la taille et la structure de ces agrégats et de quantifier ainsi leur effet sur la migration axiale des plaquettes. Du sang de porc anti coagulé a été ajusté à différents taux d’hématocrite et insérer dans un appareil à écoulement de Couette, à température ambiante. Les plaquettes sanguines, difficilement isolables in vitro sans en activer certains ligands membranaires, ont été remplacées par des fantômes en polystyrène ayant un revêtement de biotine. La quantification de la migration de ces fantômes de plaquettes a été réalisée grâce à l’utilisation de membranes biologiques fixées sur les parois internes de l’entrefer du rhéomètre de Couette. Ces membranes ont un revêtement de streptavidine assurant une très forte affinité d’adhésion avec les microparticules biotynilées. À 40% d’hématocrite, à un cisaillement de 2 s-1, 566 ± 53 microparticules ont été comptées pour un protocole préétabli avec du sang non agrégeant, comparativement à 1077 ± 229 pour du sang normal et 1568 ± 131 pour du sang hyper agrégeant. Les résultats obtenus suggèrent une nette participation de l’agrégation érythrocytaire sur le transport des fantômes de plaquettes puisque l’adhésion de ces derniers à la paroi du rhéomètre de Couette augmente de façon quasi exponentielle selon le niveau d’agrégation présent.

Paramétrisation de la rétrodiffusion ultrasonore érythrocytaire haute fréquence et pertinence comme facteur de risque de la thrombose veineuse

L’agrégation érythrocytaire est le principal facteur responsable des propriétés non newtoniennes sanguines pour des conditions d’écoulement à faible cisaillement. Lorsque les globules rouges s’agrègent, ils forment des rouleaux et des structures tridimensionnelles enchevêtrées qui font passer la viscosité sanguine de quelques mPa.s à une centaine de mPa.s. Cette organisation microstructurale érythrocytaire est maintenue par des liens inter-globulaires de faible énergie, lesquels sont brisés par une augmentation du cisaillement. Ces propriétés macroscopiques sont bien connues. Toutefois, les liens étiologiques entre ces propriétés rhéologiques générales et leurs effets pathophysiologiques demeurent difficiles à évaluer in vivo puisque les propriétés sanguines sont dynamiques et fortement tributaires des conditions d’écoulement. Ainsi, à partir de propriétés rhéologiques mesurées in vitro dans des conditions contrôlées, il devient difficile d’extrapoler leurs valeurs dans un environnement physiologique. Or, les thrombophlébites se développent systématiquement en des loci particuliers du système cardiovasculaire. D’autre part, plusieurs études cliniques ont établi que des conditions hémorhéologiques perturbées constituent des facteurs de risque de thrombose veineuse mais leurs contributions étiologiques demeurent hypothétiques ou corrélatives. En conséquence, un outil de caractérisation hémorhéologique applicable in vivo et in situ devrait permettre de mieux cerner et comprendre ces implications. Les ultrasons, qui se propagent dans les tissus biologiques, sont sensibles à l’agrégation érythrocytaire. De nature non invasive, l’imagerie ultrasonore permet de caractériser in vivo et in situ la microstructure sanguine dans des conditions d’écoulements physiologiques. Les signaux ultrasonores rétrodiffusés portent une information sur la microstructure sanguine reflétant directement les perturbations hémorhéologiques locales. Une cartographie in vivo de l’agrégation érythrocytaire, unique aux ultrasons, devrait permettre d’investiguer les implications étiologiques de l’hémorhéologie dans la maladie thrombotique vasculaire. Cette thèse complète une série de travaux effectués au Laboratoire de Biorhéologie et d’Ultrasonographie Médicale (LBUM) du centre de recherche du Centre hospitalier de l’Université de Montréal portant sur la rétrodiffusion ultrasonore érythrocytaire et menant à une application in vivo de la méthode. Elle se situe à la suite de travaux de modélisation qui ont mis en évidence la pertinence d’un modèle particulaire tenant compte de la densité des globules rouges, de la section de rétrodiffusion unitaire d’un globule et du facteur de structure. Ce modèle permet d’établir le lien entre la microstructure sanguine et le spectre fréquentiel du coefficient de rétrodiffusion ultrasonore. Une approximation au second ordre en fréquence du facteur de structure est proposée dans ces travaux pour décrire la microstructure sanguine. Cette approche est tout d’abord présentée et validée dans un champ d’écoulement cisaillé homogène. Une extension de la méthode en 2D permet ensuite la cartographie des propriétés structurelles sanguines en écoulement tubulaire par des images paramétriques qui mettent en évidence le caractère temporel de l’agrégation et la sensibilité ultrasonore à ces phénomènes. Une extrapolation menant à une relation entre la taille des agrégats érythrocytaires et la viscosité sanguine permet l’établissement de cartes de viscosité locales. Enfin, il est démontré, à l’aide d’un modèle animal, qu’une augmentation subite de l’agrégation érythrocytaire provoque la formation d’un thrombus veineux. Le niveau d’agrégation, la présence du thrombus et les variations du débit ont été caractérisés, dans cette étude, par imagerie ultrasonore. Nos résultats suggèrent que des paramètres hémorhéologiques, préférablement mesurés in vivo et in situ, devraient faire partie du profil de risque thrombotique.

Rheological properties and fluid dynamics of egg yolk

The rheological behavior of egg yolk was studied at a range of temperatures (277-333 K) using a concentric cylinder viscometer. Rheological behavior was pseudoplastic and flow curves fitted by the power law model. The consistency and behavior indexes, dependent on temperature, were expressed by an Arrhenius-type equation. The rheological parameters, together with experimental values of pressure loss in tube flow were used to calculate friction factors. The good agreement between predicted and observed values confirmed the reliability of the equations proposed for describing the flow behavior of the egg yolk. (c) 2005 Published by Elsevier Ltd.

Rheological properties and fluid dynamics of coffee extract

The rheological behavior of coffee extract with different water contents (49 to 90%) was studied at a wide range of temperatures (274 to 365 K) using a concentric cylinder rheometer. The flow curves followed different models depending on the concentration and temperature level. Newtonian behavior was observed at high values of water content and temperature, changing to power law as these values were decreased. The Newtonian viscosity as well as the consistency and behavior index could be well correlated by functions simultaneously dependent on temperature and water content. The rheological parameters, together with experimental values of pressure loss in tube flow, were used to calculate friction factors. These showed to be in good agreement with those resulting from classical theoretical and empirical equations, thus confirming the reliability of the rheological measurements.

Influence of temperature and concentration on thermophysical properties of yellow mombin (Spondias mombin, L.)

Thermal conductivity, thermal diffusivity, and density of yellow mombin juice were determined at 8.8-49.4 °Brix and at temperature from 0.4 to 77.1 °C. Apparent viscosity was also measured between 7.8 and 30 °Brix and at temperature from 0 to 60 °C. Yellow mombin juice was produced from fruits of two different batches and the concentration process was performed using a roto evaporator or a rising film evaporator, single effect, with recirculation, under vacuum, to obtain concentrated juice. In order to obtain different concentrations, concentrated juice was diluted with distilled water. Multiple regression analysis was performed to fit thermal conductivity, thermal diffusivity and density experimental data obtaining a good fit. Arrhenius and power law relationships were proposed to fit apparent viscosity as a function of temperature and juice concentration at typical shear rates found during processing. The rheological parameters together with experimental values of pressure loss in tube flow were used to calculate friction factors, which were compared to those resulting from theoretical equation.

Rheology and fluid dynamics properties of sugarcane juice

The sugarcane juice is a relatively low-cost agricultural resource, abundant in South Asia, Central America and Brazil, with vast applications in producing ethanol biofuel. In that way, a good knowledge of the rheological properties of this raw material is of crucial importance when designing and optimizing unit operations involved in its processing. In this work, the rheological behavior of untreated (USCJ, 17.9 °Brix), clarified (CSCJ, 18.2 °Brix) and mixed (MSCJ, 18.0 °Brix) sugarcane juices was studied at the temperature range from 277K to 373K, using a cone-and-plate viscometer. These fluids were found to present a Newtonian behavior and their flow curves were well-fitted by the viscosity Newtonian model. Viscosity values lied within the range 5.0×10 -3Pas to 0.04×10 -3Pas in the considered temperature interval. The dependence of the viscosity on the temperature was also successfully modeled through an Arrhenius-type equation. In addition to the dynamic viscosity, experimental values of pressure loss in tube flow were used to calculate friction factors. The good agreement between predicted and measured values confirmed the reliability of the proposed equations for describing the flow behavior of the clarified and untreated sugarcane juices. © 2010 Elsevier B.V.

Desenvolvimento de um método numérico para simular escoamentos viscoelásticos axissimétricos com superfícies livres: Modelo PTT

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Residence Time Distribution Models Derived from Non-Ideal Laminar Velocity Profiles in Tubes

The theoretical E-curve for the laminar flow of non-Newtonian fluids in circular tubes may not be accurate for real tubular systems with diffusion, mechanical vibration, wall roughness, pipe fittings, curves, coils, or corrugated walls. Deviations from the idealized laminar flow reactor (LFR) cannot be well represented using the axial dispersion or the tanks-in-series models of residence time distribution (RTD). In this work, four RTD models derived from non-ideal velocity profiles in segregated tube flow are proposed. They were used to represent the RTD of three tubular systems working with Newtonian and pseudoplastic fluids. Other RTD models were considered for comparison. The proposed models provided good adjustments, and it was possible to determine the active volumes. It is expected that these models can be useful for the analysis of LFR or for the evaluation of continuous thermal processing of viscous foods.

Synthese C-glycosidischer und N-methylierter Glycosylaminosäuren für den Aufbau von Mimetika tumorassoziierter MUC1-Glycopeptidantigene unter Verwendung mikrostrukturierter Reaktoren

Zur Synthese hydrolysestabiler MUC1-Antitumorvakzine wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst ein Verfahren zur effizienten N Methylierung von Fmoc-Aminosäuren entwickelt. Die Synthese erfolgte in einer zweistufigen Umsetzung über Oxazolidinone unter Verwendung eines Tube-in-Tube-Durchflussreaktors mit einer semipermeablen Membran aus Teflon® AF 2400. In diesem Tube-in-Tube-Reaktor wurde in der ersten Stufe das Modellsubstrat Fmoc-Alanin bereits nach 2 h annähernd quantitativ in das entsprechende Oxazolidinon umgesetzt. In der zweiten Stufe wurde mit TFA erstmals eine Flüssigkeit durch eine solche Membran des Tube-in-Tube-Reaktors eingeleitet und lieferte innerhalb einer Stunde zahlreiche aliphatische, aromatische und funktionalisierte N-Methylaminosäuren in hohen Ausbeuten.rnDes Weiteren wurden erstmals sensible Glycosylaminosäuren, darunter auch TN Antigen-Strukturen, N-methyliert. Sie dienen als Bausteine für die Synthese von MUC1-Antitumorvakzinen. Neben Fmoc-N-Methyl-TN-Threonin konnten die Fmoc-geschützten N-Methyl-TN-Serin, N-Methyl-Sialyl-TN-Threonin sowie zwei N-Methyl-C Glycosylaminosäuren und in guten Ausbeuten erhalten werden. Anschließend wurde das N methylierte TN-Threonin gezielt in die tandem repeat-Sequenz des MUC1 in einer Festphasenpeptidsynthese eingebaut. Um einen direkten Vergleich bezüglich der N Methylierung im MUC1-Glycopeptide und dem darauf folgenden Einfluss auf die Tumorselektivität der resultierenden Vakzine erhalten zu können, wurde zudem ein Referenzpeptid aufgebaut. Zur Vollendung der Vakzinsynthese erfolgte die Konjugation beider Glycopeptidantigene an die jeweiligen BSA- und TTox-Proteine. rnEin alternativer Zugang zu hydrolysestabilen Glycopeptidbausteinen wurde im letzten Teil der Arbeit über die Synthese von α C Glycosylaminosäuren erarbeitet. Der entwickelte Syntheseweg basiert auf einer Ugi-Vier-Komponenten-Reaktion aus Aldehyd, Amin, Nitril und Carbonsäure. Als benötigte Aldehydkomponenten wurden ein einfaches Galactose- sowie ein Galactosamin-Derivat verwendet. Zum Aufbau des C-glycosidischen Grundgerüsts wurde eine Mikrowellen-unterstützte C-Allylierungsvariante im Durchfluss realisiert. Die Galactose- und Galactosaminaldehyde wurden danach mit chirale Glycosylaminen umgesetzt.