Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/98025
Title: Mass transfer models to support insecticide product development
Other Titles: Modelos de transferência de massa para apoio ao desenvolvimento de produtos insecticidas
Authors: Gariso, Rúben Filipe do Bem
Orientador: Bernardo, Fernando Pedro Martins
Braga, Mara Elga Medeiros
Keywords: mass transfer mathematical modeling; analytical solution of the convection-dispersion equation; release of an active ingredient; insecticide products using phytochemicals; modelação matemática da transferência de massa; solução analítica de equações de convecção dispersão; libertação de um ingrediente ativo; produtos inseticidas usando fitoquímicos
Issue Date: 23-Nov-2021
Serial title, monograph or event: Mass transfer models to support insecticide product development
Place of publication or event: DEQ-FCTUC
Abstract: Mathematical models of mass transfer are useful to study the release of an active ingredient (AI) and to optimize the formulation of products that contain that AI, as is the case of cosmetics, pharmaceuticals, and insecticides. Such models may help to understand the relationship between the composition of the product and the release rate of the AI, and also may be useful in planning experiments and reducing the number of experiments needed. The main objective of this master’s thesis is to develop mathematical models that can predict the release and air transport of an AI contained in a formulated product. The product in question is being developed to control the insect vector of the pine wilt disease, using an AI that attracts the insect to a trap. The shape of the studied product is a small porous cylinder, consisting of a solid polymeric matrix in which the AI is homogeneously distributed. The product is manufactured using the supercritical CO2 foaming/mixing method. Three models were developed with an analytical solution: one for the release of the AI from the product placed in quiescent air, a second one for the transport of the AI in a wind tunnel, and a third model obtained by combining the two previous ones (release of the AI followed by transport in the tunnel). Concerning the first model, the AI effective diffusion coefficient inside the product was estimated by fitting the model to experimental data. Regarding the AI transport model in the wind tunnel, some of the parameters were estimated using known equations, namely the longitudinal and radial dispersion coefficients of the AI in the tunnel, in a fully developed turbulent regime, and the AI partition coefficient between the product and air, using in this latter case the Flory-Huggins theory. These estimated values served as a starting point for the optimal adjustment of the model to experimental data, minimizing the mean squared error between model predictions and experimental results. The optimal solution was obtained using the particle swarm algorithm. Regarding the release of the AI in the air at rest, the proposed model describes the experimental data well, being in some cases required the assumption that a fraction of the AI is not in fact released during the time of the release test. As for the transport in the tunnel, the convection and dispersion model has a systematic error, which is however comparable in magnitude to the experimental error.
Modelos matemáticos de transferência de massa são úteis para estudar a libertação de um ingrediente ativo (IA) e otimizar a formulação dos produtos que contêm esse IA, como acontece no caso de produtos cosméticos, farmacêuticos e inseticidas. O uso de tais modelos ajuda a compreender a relação entre a composição do produto e a velocidade de libertação do IA, e pode ainda ajudar no planeamento das experiências a realizar e assim reduzir o número de experiências necessárias. O principal objetivo da presente tese de mestrado é desenvolver modelos matemáticos que consigam prever a libertação e transporte no ar de um IA contido num produto formulado. O produto em causa está a ser desenvolvido para controlar o inseto vetor da doença da murchidão do pinheiro, usando para tal um IA que atrai o inseto para uma armadilha. A forma do produto estudada é um pequeno cilindro poroso, constituído por uma matriz polimérica sólida na qual o IA se encontra homogeneamente distribuído. O produto é fabricado usando a técnica de foaming/mixing com CO2 supercrítico. Foram desenvolvidos três modelos com solução analítica: um para a libertação do IA a partir do produto colocado em ar em repouso, outro para o transporte do IA num túnel de vento, e um terceiro modelo obtido pela combinação dos dois anteriores (libertação do IA seguida de transporte no túnel). Em relação ao primeiro modelo, o coeficiente de difusão efetivo do IA no interior do produto foi estimado ajustando-se o modelo a dados experimentais. Relativamente ao modelo de transporte do IA no túnel de vento, alguns dos parâmetros foram estimados usando equações conhecidas, nomeadamente os coeficientes de dispersão axial e radial do IA no túnel, em regime turbulento completamente estabelecido, e o coeficiente de partição do IA entre o produto e o ar, usando neste último caso a teoria de Flory-Huggins. Estes valores estimados serviram de ponto de partida para o ajuste ótimo do modelo a dados experimentais, minimizando-se o erro quadrático médio entre a previsão do modelo e os resultados experimentais. A solução ótima foi obtida usando o algoritmo particle swarm. Relativamente à libertação do IA em ar em repouso, o modelo proposto descreve bem os dados experimentais, sendo nalguns casos necessário o pressuposto de que uma fração do IA não é libertada em tempo útil. Quanto ao transporte no túnel, o modelo de convecção e dispersão apresenta um erro sistemático, que é contudo de grandeza comparável à do erro experimental.
Description: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/98025
Rights: embargoedAccess
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