SUPERVISOR
S.Mohammad Ghoreshi
سیدمحمد قریشی (استاد راهنما)
STUDENT
Seyed omid Mousavi
سیدامید موسوی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Experimental Investigation and Optimization of Supercritical Extraction of Quercetin from Rosa damascena Mill.using Design of Experiments and Mathematical Modeling
Rosa damascene which grows in most parts of Iran is a source of Flavonoid andantioxidant compounds like Quercetin and Kaempferol,which are widely used in medical and sanitary industries .Quercetin is a polarpolyphenolic compound which is used in illness treatment like Artery stenosis, Cataracts, Dypertension, Diabetes and Colon Cancer. The common technique to extract plant ingredients is the conventional method such as Soxhlet with organic solvents such as ethanol and methanol. But for pharmaceutical and medicinal applictions, a suitable method for extraction and purification without utilization of toxic organic solvents is needed.Supercritical fluid extraction especiallysupercritical carbon dioxide extraction as an efficient extraction method has attracted attention during the last decades, as its advantages include beingnon-explosive, non-toxic, and available in high purity with low cost, non-solvent residues. In this study, organic solvent extraction method and supercritical carbon dioxide extraction of Rosa damascena was compared.The extraction of Quercetin was investigated by modified supercritical CO 2 with constant volume ofco-solvent (1 ml), 20 min of static time and 0.674 mm of average particle size. Design of experiment carried out with response surface methodology (RSM) using Minitab software.Supercritical CO 2 extractionwas carried out under the following operating conditions: 35-55°C; 10-30 MPa; 0.3-1.5 ml/min (CO 2 flow rate); 40-120 min (extraction dynamic time). Response surface analysis verifiedthat the data were adequately fitted to second-order polynomial model and the statistical analysis also showed that the linear and quadratic terms of pressure,temperature, CO 2 flow rate and extraction dynamic time, as well as the interactions of pressure and temperature, and temperature and flow rate, have considerable effects on the proposed model of Quercetin recovery based on coded variables. R 2 and modified R 2 of the model are 92.99% and 86.86%, respectively.It was predicted that the optimum extraction conditions within the experimental ranges would be the extraction pressure of 25.55 MPaand temperature of 45.7 o C with flow rate of 0.81 ml/minand extraction time of 108.68 min. Under such conditions, the recovery of Quercetin was predicted to be 31.75%.Moreover, in this work, a mathematical modeling for Quercetin extraction from Rosa damascena was performed by modified supercritical carbon dioxide based on the differential mass balance. Density and viscosity of dense gases mixture was obtained by Peng-Robion (PR) equation of state with the van der Waals mixing rules and Chung et al., respectively. Mathematical model parameters are effective pore diffusivity, film mass transfer coefficient, axial dispersion, and distribution coefficient. The first three parameters were obtained from empirical equations and the distribution coefficient between solid and solvent has been determined by thermodynamic modeling of solubilities.Finally operating conditions were optimized by means of Genetics Algorithm method in Matlab. By this method optimal operating conditions were observed at 42.56 ?C, 25.62 MPa, 1.158 ml/minand 101.66 min (dynamic time) to achieve 31.72% recovery. The experiments from RSM corresponded to GA results well. Keywords Rosa damascena ;Quercetin; Supercritical CO 2 extraction; Response surface methodology; Genetic algorithm; Mathematical modeling.
گیاه گل محمدی که در اکثر نواحی ایران رشد می کند منبعی از ترکیبات فلانوئیدی همچون کوئرستین و کامفرول است که این ترکیبات آنتی اکسیدانی به طور گسترده ای در صنایع دارویی، درمانی مورد استفاده قرار می گیرند. کوئرستین یک ترکیب پلی فنولی قطبی است که در درمان بیماری هایی همچون گرفتگی عروق، آب مروارید، فشار خون، قند خون بالا ناشی از دیابت و سرطان روده به کار می رود. همچنین این ترکیب در تضعیف ویروس عامل بیماری ایدزمؤثر است. از روش های متداول جهت استخراج مواد مؤثره موجود در گیاهان استفاده از حلال های آلی اتانول و متانول با تجهیز سوکسله می باشدکه بسیار زمان بر بوده و مقدار زیادی حلال مصرف می کند و به علت استفاده از دمای بالا به ترکیبات حساس به حرارت آسیب می رساند،اما کاربردهای دارویی نیازمند یک روش مناسب برای استخراج و مراحل پاکسازی بدون استفاده از حلال های آلی سمی است. استخراج فوق بحرانی به ویژه استخراج با دی اکسیدکربن فوق بحرانی به دلیل دارا بودن مزیت هایی چون آتش گیر نبودن، غیر سمی بودن، خلوص بالا و قیمت پایین در دهه های اخیر مورد توجه قرار گرفته است.بنابراین در این رساله کوئرستین با استفاده از دی اکسیدکربن فوق بحرانی اصلاح شده با مقادیر ثابتی از اتانول ( ml 1) از گیاه گل محمدی استخراج گردید و با روش استخراج با حلال آلی با دستگاه سوکسله مقایسه شد. استخراج با سیال فوق بحرانی بادر نظر گرفتن زمان استاتیک 20 دقیقه و اندازه متوسط ذرات (674/0 میلی متر)بر مبنای طراحی آزمایشات آماری به روش طراحی مرکب مرکزی( CCD )با استفاده از نرم افزار Minitab 16 انجام شد. چهار متغیر موثر بر این فرایند دما (? C 55-35 )، فشار ( Mpa 30-10)، شدت جریان دی اکسید کربن( ml/min 5/1-3/0) و زمان استخراج دینامیک (120-40دقیقه) می باشند که طراحی آزمایش ها بر اساس آن ها در 5 سطح انجام گرفته است. آنالیز رویه ی پاسخ نشان داد که داده های آزمایشگاهی به خوبی به وسیله ی یک مدل چند جمله ای مرتبه دوم برازش می شوند. نتایج نشان داد ترم های خطی و ترم های درجه دوم دما، فشار و زمان دینامیک، شدت جریان و اثرات متقابل دما-فشار و دما- شدت جریان دارای اثر قابل توجهی(05/0 p ) بر میزان استخراج هستند.ضریب تشخیص( R 2 ) در مدل برابر با 99/92 درصد و ضریب تشخیص اصلاح شده( adj ) R 2 برابر 86/86 درصد می باشد. همچنین بررسی ها نشان داد که مقادیر بهینه ی پارامترهای استخراج در محدوده ی آزمایش، فشار MPa 55/25، دما 7/45، دبی جریان ml/min 81/0 و زمان استخراج 68/108 دقیقه می باشد که تحت این شرایط میزان بازیابی کوئرستین %75/31 پیش بینی می شود.همچنین در این تحقیق مدل سازی ریاضی فرآیند نیز انجام گرفت. پارامترهای مدل شامل ضریب نفوذ مؤثر، ضریب انتقال جرم فیلمی، ضریب پراکندگی محوری و پارامتر حلالیت میباشند. سه پارامتر اول از طریق روابط تجربی محاسبه گردیده وضریب توزیع برای بیان حالت تعادلی بین فاز جامد و سیال داخل حفره ها استفاده شده است. در ادامه پارامترهای عملیاتی آن به منظور دستیابی به استخراج بیشتر به کمک الگوریتم ژنتیک نیز بهینه شدند که مقادیر بهینه پارامترهای عملیاتی برای دستیابی به بیشترین میزان بازیابی(%72/31) ، فشار 625/25 مگاپاسکال، دمای 565/42 درجه سانتیگراد، دبی 158/1 میلی لیتر بر دقیقه و زمان دینامیک 66/101 دقیقه بدست آمدوتطابق خوبی بین دو روش بهینه سازی (ژنتیک و روش رویه پاسخ) مشاهده گردید. کلمات کلیدی : کوئرستین، استخراج فوق بحرانی، اصلاحگر، روشرویه پاسخ ، مدل سازی ریاضی، الگوریتم ژنتیک