SUPERVISOR
Mehdi Pour madani,S.Mohammad Ghoreshi,Ali akbar Dadkhah
مهدی پورمدنی (استاد مشاور) سیدمحمد قریشی (استاد راهنما) علی اکبر دادخواه (استاد راهنما)
STUDENT
Elham Heidari
الهام حیدری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Experimental Investigation, Modeling and Optimization of Operating Conditions of Supercritical Extraction of EGCG from Green Tea
Recently, scientists haveproven the green teatherapeutic effectsonvariousdiseases,such asbreast, colon, duodenal, rectal,andpancreascancer, hypertension, diabetes, Alzheimer's etc. byextensive researches.Teaiscomposedofvariouscompounds. Most ofitsantioxidant effects areoftenattributedto epigallocatechingallet (EGCG). Therefore, necessity ofEGCG extraction and producing extractofantioxidant is obvious. In this study, the extraction of EGCG from green tea was investigated by modified supercritical CO 2 and Soxhletextraction with constant volume of co-solvent (1 ml), 25 min of static time and 0.674 mm of average particle size.Design of experiment carried out with response surface methodology (RSM) using Mini Tab software. The operating temperature (40-60 by step 5°C), the operating pressure (10-30 by step 5Mpa), the dynamic extraction time (40-120 by step 20min), and the flow rate of CO 2 (0.5-1.7 by step 0.3ml/min) have been considered as operating variables.Response surface analysis verified that the data were adequately fitted to second-orderpolynomial model.The linear and quadratics terms of temperature, pressure, CO 2 flow rate, and dynamic time, as well as the interaction between pressure-temperatureand dynamic time-temperature had significant effects on the proposed model ofEGCG recovery based on coded variables. R 2 and modified R 2 of the model are 98.40% and 96.99%, respectively. It was predicted that the optimum extraction conditions within the experimental ranges would be the extraction pressure of 19.29MPa, temperature of 43.7 , flow rate of 1.5 ml/min, and extraction time of 106 min with recovery of 0.462. Moreover, in the present study, a mathematical modeling for EGCG extraction from green teawas performedby 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 including effective pore diffusivity, film mass transfer coefficient, axial dispersion, anddistribution coefficient.The first three parameters were obtained fromempirical equations and the distribution coefficient between solid and solvent has been determinedby thermodynamic modeling of solubilities.Indicated by obtained results, the mathematical model is able to predict the experimental data with acceptable accuracy and R 2 is 98%.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 41.2 ?C, 19.79 MPa, 1.7 ml/min, and 116.3 min (dynamic time) to achieve 0.447 recovery.There was good agreement between two methods of optimization (genetic and RSM). Finally, neural network modeling was done by three hidden layers with16, 10 and 8neuron, respectively.The resultsshowedthe truly trained network and very good compatibility betweenthe neural networksand experimental data for EGCG recovery. Key Words Epigallocatechingallet, Supercritical extraction, Co-solvent, Response surface methodology,Mathematical modeling,Genetic algorithm, Neural network.
اخیراً دانشمندان با تحقیقات گسترده بر روی خواص درمانی چای سبز، تأثیر این ماده را در درمان و پیشگیری از بیماری های مختلف مانند سرطان سینه، روده،کولون، اثنیعشر، رکتوم و پانکراس ، فشار خون، دیابت وغیره به اثبات رسانده اند. چای از ترکیبات بی شماری تشکیل یافته است ولی عمده خواص آنتی اکسیدانی آن به کاتچین های موجود در آن به خصوص اپیگالوکاتچینگالاتنسبت داده می شود.بنابراین لزوم استخراج اپیگالوکاتچینگالاتو تولید عصاره آنتی اکسیدانی ازآن مشخص میشود. در این تحقیق استخراج عصاره از چای سبز به دو روش استخراج سوکسله با حلال آلی (اتانول) و استخراج به وسیله دی اکسید کربن فوق بحرانی اصلاح شدهبامقادیر ثابتی از اصلاحگراتانول(1 میلی لیتر)،زمان استاتیک(25 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 افزارMinitab 15 انجام شد. چهار متغیر مؤثر بر این فرایند دما (?C60-40 )، فشار (Mpa30-10) ، شدت جریان سیالدی اکسید کربن فوق بحرانی (ml/min7/1-5/0) و زمان استخراج دینامیک (120-40دقیقه) 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 کهترم های خطی و مربع دما، فشار، دبی جریان و زمان دینامیک هم چنین ترم های متقابل فشار-دما و دما-زمان دینامیک از اهمیت بسیار زیادی در مدل پیشنهادی بر اساس متغیرهای کدگذاری شده برخوردارند. ضریب تشخیص( R 2 ) در مدل برابر با 40/98 درصد وضریب تشخیص اصلاح شده برابر99/96 درصد می باشد و مقادیر بهینه ی استخراج در محدوده ی آزمایش با این روش،دمای7/43 درجه سانتی گراد، فشارMpa 29/19، نرخ جریان 5/1 میلی لیتر بر دقیقه و زمان دینامیک 106 دقیقه با میزان بازیابی 462/0 بدست آمد.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 ضریب توزیع میباشند. سه پارامتر اول از طریق روابط تجربی محاسبه گردیده وضریب توزیع نیز بامحاسبه حلالیت با روابط ترمودینامیکی و دانسیته چای سبز با آزمایش بدست آمد. نتایج نشان داد که مدل ریاضی به خوبی قادر به پیشگویی داده های آزمایشگاهی استو R 2 بسیار نزدیک به یک و برابر با(98/0) بدست آمد که نشان ازمحدوده خطای بسیار کم آن می باشد. در ادامه پارامترهای عملیاتی آن برای نیل به استخراج بیشتر به کمک الگوریتم ژنتیک نیز بهینه شدندکه مقادیر بهینه پارامترهای عملیاتی برای دستیابی به بیشترین میزان بازیابی 446/0 ، فشار 79/19 مگاپاسکال، دمای 2/41 درجه سانتیگراد، دبی 7/1 میلی لیتر بر دقیقه و زمان دینامیک 3/116 دقیقه بدست آمدوتطابق خوبیبین دو روش بهینه سازی(ژنتیک و روش رویه پاسخ) مشاهده گردید.در انتها نیزفرایند به کمک شبکه عصبی MLPبا سه لایه مخفی به ترتیب دارای 16، 10 و 8 نورون مدل سازی شده و نتایج نشان داد که شبکه به خوبیآموزش داده شده و تطابق مناسبی بینمیزان بازیابی بدست آمده از شبکه آموزش داده شده و مقادیر بدست آمده از آزمایشات وجود دارد. کلمات کلیدی : اپیگالوکاتچینگالات، استخراج فوق بحرانی، اصلاحگر، طراحی رویه پاسخ، مدل سازیریاضی،الگوریتم ژنتیک، شبکه عصبی MLP