SUPERVISOR
S.Mohammad Ghoreshi
سیدمحمد قریشی (استاد راهنما)
STUDENT
Ali Hedayati
علی هدایتی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Experimental Investigation, Modeling and Optimization of Operating Conditions of Supercritical Extraction of Glycyrrhizic acid from licorice plant root
Recently, scientists have proven the licorice therapeutic effects on various diseases, such as, cancer, diabetes, kidney stones, inflammation, ulcers, skin diseases, tuberculosis, viral diseases, respiratory diseases, liver etc. by extensive researches. Licorice is composed of various compounds. Most of its antioxidant effects are often attributed to glycyrrhizic acid (GA). Therefore, necessity of GA extraction and producing extract of antioxidant is obvious. In this study, the extraction of GA from licorice plant root was investigated by Soxhlet and modified supercritical CO 2 extraction with different volume ratios of water and methanol as modifier, 30 min of static time and 0.674 mm of average particle size. Design of experiment carried out with response surface methodology (RSM) using Minitab 17 software. The operating temperature (45-65), the operating pressure (10-34), the dynamic extraction time (40-120), the flow rate of CO 2 (0.8-2) and methanol concentration in methanol-water binary entrainer (0-100%) have been considered as operating variables. Response surface analysis verified that the data were adequately fitted to second-order polynomial model. The linear terms of temperature, pressure, CO 2 flow rate, co-solvent methanol concentration and dynamic time as well as quadratic terms of all variables except CO 2 flow rate had significant effects on the obtained RSM model of GA recovery based on coded variables. R2 and modified R2 of the model are 98.05% and 94.51%, respectively. The maximum GA recovery of 54.4% was predicted by the RSM model at the optimal operating conditions of 29.6 MPa, 68 o C, 108 min (dynamic time), 2 ml/min and 46.5% methanol concentration in binary modifier. Moreover, in the present study, a mathematical modeling for GA extraction from licorice plant root was performed by modified supercritical carbon dioxide based on the differential mass balance. Mathematical model parameters are including 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 applying the genetic algorithm to minimize the average absolute deviation (AAD) between the data obtained from experiments and model equations. In addition, RSM was used to determine the effects of temperature and pressure on the solubility (S) of GA in the supercritical fluid and co-solvent so that we can use the obtained formula for Kp to put it in the mathematical model and finally determine the optimum operating conditions. The main process conditions which must be determined to maximize the extraction recovery are temperature, pressure, flow rate of CO 2 , and dynamic extraction time. These were optimized by genetic algorithm. The optimal operating conditions were observed at 68 ?C, 27.19 MPa, 1.96 ml/min, and 119 min (dynamic time) to achieve 0.338 recovery. A three-layer artificial neural network was also developed for modeling of GA extraction from licorice plant root. In this regard, different networks (by changing the number of neurons in the hidden layer and algorithm of network training) were compared with evaluation of networks accuracy in extraction recovery prediction. One-step secant back propagation algorithm with six neurons in hidden layer was found to be the most suitable network and the coefficient of determination (R 2 ) was 98.5% Key Words Glycyrrhizic acid, Supercritical extraction, Co-solvent, Response surface methodology, Mathematical modeling, Genetic algorithm, Neural network.
چ کیده اخیراً دانشمندان با تحقیقات گسترده بر روی خواص درمانی شیرینبیان، تأثیر این ماده را در درمان و پیشگیری از بیماری های مختلف مانند انواع سرطان، دیابت، سنگ کلیه، التهاب، زخم معده، بیماریهای پوستی، سل، بیماریهای ویروسی، بیماریهای تنفسی، کبدی و غیره به اثبات رسانده اند. ریشهی شیرینبیان از ترکیبات بی شماری تشکیل یافته ولی عمده خواص دارویی از جمله آنتی اکسیدانی آن به گلیسیریزیک اسید موجود در آن نسبت داده می شود. در این تحقیق استخراج عصاره از ریشهی شیرینبیان به دو روش استخراج سوکسله با حلال آلی (متانول) و استخراج به وسیله دی اکسید کربن فوق بحرانی اصلاح شده با نسبت های حجمی مختلف از آب و متانول، زمان استاتیک (30 دقیقه) و میانگین سایز ذرات (674/0 میلی متر) مورد بررسی قرار گرفت. استخراج با سیال دی اکسید کربن فوق بحرانی اصلاح شده بر مبنای طراحی آزمایشات آماری به روش طراحی رویه پاسخ با استفاده از نرم افزار Minitab 17 انجام شد. پنج متغیر مؤثر بر این فرایند دما (?C65-45)، فشار (Mpa 34-10)، شدت جریان سیال دی اکسید کربن فوق بحرانی ( ml/min2-8/0)، زمان استخراج دینامیک (120-40 دقیقه) و غلظت متانول در کمک حلال دوتایی آب-متانول (0-100%) می باشند که طراحی آزمایش ها بر اساس آن ها 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. علاوه بر این مشخص شد که ترم های خطی فشار و زمان از اهمیت بسیار بالایی در پاسخ مدل (درصد بازیابی) برخوردار هستند در حالی که دبی دی اکسید کربن و غلظت متانول در کمک حلال دوتایی اهمیت نسبتاً بالایی دارند. ترم های مربع تمام متغیر ها به جز دبی جریان دی اکسید کربن نیز از اهمیت بسیار بالایی در پاسخ مدل برخوردار هستند. تمام ترم های متقابل بین متغیر ها نیز در مدل پیشنهادی بر اساس متغیرهای کدگذاری شده اهمیتی ندارند. ضریب تشخیص ( R 2 ) در مدل برابر با 05/98 درصد و ضریب تشخیص اصلاح شده برابر 51/94 درصد می باشد و مقادیر بهینه ی استخراج در محدوده ی آزمایش با این روش، دمای 68 درجه سانتی گراد، فشارMpa 6/29، نرخ جریان 2 میلی لیتر بر دقیقه، زمان دینامیک 108 دقیقه و غلظت متانول در کمک حلال دو تایی آب- متانول، 46% حجمی با میزان بازیابی 544/0 بدست آمد. همچنین در این تحقیق مدل سازی ریاضی فرآیند برای استخراج گلیسیریزیک اسید از ریشه ی شیرینبیان با استفاده از کمک حلال آب نیز انجام گرفت. پارامترهای مدل شامل ضریب نفوذ مؤثر، ضریب انتقال جرم فیلمی، ضریب پراکندگی محوری و ضریب توزیع میباشند. سه پارامتر اول از طریق روابط تجربی محاسبه گردید و ضریب توزیع نیز با محاسبه حلالیت با به کار بردن روش الگوریتم ژنتیک برای تعیین مقادیر بهینه ی ضریب توزیع در هر یک از شرایط عملیاتی و استفاده از روش طراحی رویه ی پاسخ به دست آمد و در مدل ریاضی جایگذاری گردید. نتایج نشان داد که مدل ریاضی به خوبی قادر به پیشگویی داده های آزمایشگاهی است و خطای مطلق متوسط حدود 6% بدست آمد که نشان از محدوده خطای کم آن می باشد. در ادامه پارامترهای عملیاتی برای رسیدن به استخراج بیشتر به کمک الگوریتم ژنتیک بهینه شدند که مقادیر بهینه پارامترهای عملیاتی برای دستیابی به بیشترین میزان بازیابی 338/0، فشار 19/27 مگاپاسکال، دمای 68 درجه سانتیگراد، دبی 96/1 میلی لیتر بر دقیقه و زمان دینامیک 199 دقیقه بدست آمد. در انتها نیز فرایند به کمک شبکه ی عصبی MLP مدل سازی شد. شبکه های عصبی با 3 تا 8 نورون در لایه مخفی به همراه الگوریتم های مختلف آموزش شبکه به منظور تعیین بهترین شبکه ی عصبی آزمایش شدند و نهایتاً تعداد بهینه نورون ها 6 نورون در لایه ی مخفی و الگوریتم یک مرحله ای متقاطع پس انتشار (OSS) برای آموزش شبکه بهترین عملکرد را دارا بود و نتایج نشان داد که شبکه به خوبی آموزش داده شده و تطابق مناسبی بین میزان بازیابی بدست آمده از شبکه آموزش داده شده و مقادیر بدست آمده از آزمایشات وجود دارد. کلمات کلیدی: گلیسیریزیک اسید، استخراج فوق بحرانی، اصلاحگر، طراحی رویه پاسخ، مدل سازی ریاضی، الگوریتم ژنتیک، شبکه عصبی MLP