SUPERVISOR
Mohsen DavazdahEmami,S.Mohammad Ghoreshi
محسن دوازده امامی (استاد مشاور) سیدمحمد قریشی (استاد راهنما)
STUDENT
Seyed mojtaba Aghili
سیدمجتبی عقیلی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Modeling of Beta-carotene micronization with supercritical anti-solvent using Solution enhanced dispersion method
Most of conventional methods for producing particle include crystallization, milling and drying with spray and frigid dryers are mechanical methods. These methods contain problems such as changing the nature, large-scale distribution of particle size, environment contamination, the presence of the solvent in the product. Nowadays to solve these problems, supercritical technology are used to disperse particles. The solubility of many of the drug compounds in the supercritical fluid of carbon dioxide is very low therefore, the supercritical fluid can be used as the supercritical anti-solvent for the production of micro and nanomaterials. One of the methods for producing micro and nanoparticles is to increase the dispersion of the solution to the supercritical solvent. In this method, a two-channel coaxial nozzle is used through which solution enters from the inner channel and supercritical crisis enters from the outer channel. These two streams are mixed in a small region of the nozzle called mixing length. The incremental process of soluble dispersion due to the high difference in mass and the high mass transfer and the increase in anti-solvent to solution in the solution mixing length produces ultra-saturation solution which creates small uniform particles. In this thesis, the modeling of this process has been done in a two-channel nozzle with software Ansys Fluent 16.2. The main objectives of this thesis are to formulate modeling and simulation of the community for the aforementioned process for the two used nozzles, the validation of the model by comparing the target subject (the average of the particle diameter) with the experimental results, identifying the effective parameters, designing the experiment with the software Minitab17, the optimization of operating conditions, and then comparing the target subject (the average of the particle diameter) is in optimal operational conditions. In the end by comparing the simulation results with a special laboratory case (beta-carotene drug), the true simulation is evaluated. Then a mathematical model matches the simulation data so that the model matches the experimental data. Considering the different input conditions applied to the model program, the results show the relative error in the range of 1-30%. Due to the fact that the model with less error is not available at present, the results of this model can be used to study the effects of direct electricity parameters on the average of the particle diameter. Also, by using this model, we can study the effect of independent parameters and thermodynamic profiles in thin length. In the results of the model according to different input conditions, microparticles with an average diameter of 40,1 - 2,37 micrometers for the Vladimir test and 25,63-1,886 micrometers for Hanna and York testing will be made that is consistent with laboratory results. The results show that the carbon dioxide input, Concentration and pressure is directly related to the particle size so that their increase will boost the diameter of the particle. The solution inlet flow also has an indirect relationship so that the increase in the solution inlet flow decreases the diameter of the particle. There was no particular trend for temperature variations with particle diameter that was consistent with laboratory results. The results showed that in the comparison of the used nozzle in the experiment of Vladimir with the Hanna and York, the Hanna and York nozzle produces smaller diameter particles But the amount of beta carotene production is lower with this nozzle. Keywords: modeling, simulation, Optimization, Supercritical antisolvent fluid, beta carotene, Solution enhanced dispersion by supercritical fluids
روش های مرسوم و متداول تولید ذرات شامل آسیاب کردن، کریستالیزاسیون و خشک کردن با خشک کن های پاششی و انجمادی است که بیش تر این روش ها مکانیکی می باشد. این روش ها مشکلاتی از قبیل تغییر ماهیت، توزیع وسیع اندازه ذرات، آلودگی محیط زیستی، وجود حلال در محصول را به همراه دارد. امروزه برای حل این مشکلات از تکنولوژی فوق بحرانی جهت ریز کردن ذرات استفاده می کنند. حلالیت خیلی از ترکیبات دارویی در سیال فوق بحرانی کربن دی اکسید خیلی کم می باشد، به همین دلیل می توان سیال فوق بحرانی را به عنوان ضد حلال فوق بحرانی برای تولید میکرو و نانو مواد به کاربرد. یکی از روشهای تولید میکرو و نانو ذرات افزایش پراکندگی محلول به کمک ضد حلال فوق بحرانی می باشد. در این روش از یک نازل دو کاناله هم محور استفاده می شود که از کانال داخلی محلول و از کانال بیرونی سیال فوق بحرانی وارد می شود. این دو جریان در ناحیه ی کوچکی از نازل که طول اختلاط نام دارد باهم مخلوط می شوند. فرآیند افزایش پراکندگی محلول به دلیل اختلاط شدید و بالا بودن انتقال جرم و افزایش ضدحلال به محلول در ناحیه ی طول اختلاط، محلول فوق اشباع به وجود می آورد که باعث تولید ذرات بسیار ریز و یکنواخت می شود. در این پایان نامه مدل سازی این فرآیند در نازل دو کاناله به کمک نرم افزار Ansys Fluent 16.2 انجام شده است. اهداف عمده از انجام این پایان نامه تدوین مدلسازی و شبیه سازی جامع برای فرآیند فوق الذکر برای دو نازل به کار رفته، اثبات مدل از طریق مقایسه تابع هدف (میانگین قطر ذرات) با نتایج آزمایشگاهی، شناخت پارامترهای مؤثر، طراحی آزمایش با نرم افزار 17Minitab، بهینه سازی شرایط عملیاتی، سپس مقایسه تابع هدف (میانگین قطر ذرات) در شرایط عملیاتی بهینه می باشد. در پایان با مقایسه نتایج شبیه سازی، با یک مورد آزمایشگاهی خاص(داروی بتاکاروتن) صحت شبیه سازی ارزیابی می گردد، سپس یک مدل ریاضی بر روی داده شبیه سازی منطبق شده که به این ترتیب مدل بر داده های آزمایشگاهی منطبق می شود. توجه به شرایط مختلف ورودی که به برنامه مدل اعمال می گردد، نتایج حاصل میزان خطای نسبی در محدوده 1-30% را نشان می دهد. با توجه به اینکه در حال حاضر مدلی با خطای کمتر در دسترس نمی باشد، می توان از نتایج حاصل از این مدل جهت بررسی اثرات پارامترهای مستقل بر قطر میانگین ذرات استفاده نمود و نیز با استفاده از این مدل می توان نحوه تاثیر پارامترهای مستقل بر پروفایل های خواص ترمودینامیکی در طول نازل را بررسی نمود. در نتایج حاصل از مدل با توجه به شرایط مختلف ورودی میکرو ذراتی با قطر میانگین حدود 2.37-40.1 میکرومتر برای آزمایش ولادیمیر و همکارانش و 1.886-25.63 میکرومتر برای آزمایش یورک و همکارانش حاصل می گردد که با نتایج آزمایشگاهی مطابقت دارد. نتایج مدل نشان می دهد که فشار، غلظت، دبی ورودی دی اکسیدکربن رابطه ی مستقیم با اندازه ذره دارد به طوریکه افزایش آنان، افزایش قطر ذره را ایجاد می کند. دبی ورودی محلول نیز رابطه ی عکس دارد، به طوری که افزایش دبی ورودی محلول باعث کاهش قطر ذره می گردد. روند خاصی برای تغییرات دما با قطر ذرات بدست نیامد که با نتایج آزمایشگاهی مطابقت داشت. نتایج نشان داد در مقایسه نازل بکار رفته در آزمایش ولادیمیر و همکارانش با نازل یورک و همکارانش، نازل یورک و همکارانش ذرات با قطر ریزتری را تولید کرده اما میزان تولید بتاکاروتن با این نازل کمتر است. کلمات کلیدی: مدلسازی، شبیه سازی، بهینه سازی، ضد حلال فوق بحرانی ، بتاکاروتن، افزایش پراکندگی محلول