SUPERVISOR
S.Mohammad Ghoreshi
سیدمحمد قریشی (استاد راهنما)
STUDENT
Fatemeh Beyki hassan
فاطمه بیکی حسن
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Experimental Investigation, Optimization and Modeling of Supercritical Extraction of Harmine from Peganum harmala L. seed by Co-solvent
As a herb, Peganum harmala has been important in traditional medicine for a long time. This plant contains important alkaloids, such as Harmaline, Harmine, Harmane. various concentrations of the alkaloids are effective in treating various diseases, including inhibition of cancer cells. Therefore, developing an efficient and economic method for extraction the alkaloids will pose a great importance for both medical and economical aspects. Extraction of plant materials can be done by various conventional and nonconventional extraction procedures.One ofnonconventional techniques is Supercritical extraction. SFE technique is superior to the other techniques because of reduced use of harmful organic solvents, shorter extraction times, and high diffusion rates of lipids. Methods:In this study, using response surface methodology (in MiniTab16 software) number of 31 tests were designed to extract Harmine from Peganum harmala seed with supercritical carbon dioxide with a modifier (ethanol).In these tests, the effect of four operating parameters (temperature, pressure, CO2 flow rate and dynamic time) with operating ranges (35-75 ° C), (10-30 MPa), (0.3-1.9 ml / min) and (40-120 minutes), respectively on the rate of harmine recovery was investigated. Also, in addition to supercritical extraction, Soxhlet extraction (with methanol solvent) was performed. In addition, the extraction process is modeled using a mathematical model. Mathematical model parameters are including effective pore diffusivity, film mass transfer coefficient, axial dispersion(were obtained from empirical equations), and distribution coefficient (were obtained from genetic algorithm) and the distribution coefficient 131 has been determined by applying the genetic algorithm to minimize the average absolute deviation (AAD) between the data obtained from experiments and model equations. Results: Response surface analysis verified that the data were adequately fitted to second-order polynomial model (?? 2 = 98.09% and modified ?? 2 = 96.42% of this model).The results show that the linear terms of temperature, pressure, CO2 flow rate and dynamic time (?? ? 0.001) and quadratic terms of CO2 flow rate and temperature (?? ? 0.001), also quadratic term of dynamic time (?? 0.05) had significant effects on the model response (Harmine recovery). Also, the optimal values of extraction parameters in the experimental range were 61.66 °C, 30 MPa, 1.22 ml/min flow rate and 120 min extraction time, under which the recovery rate of Harmine was equal to 52.30% is predicted. The results of mathematical modeling showed that this model is well able to predict the experimental data with acceptable accuracy and AAD=3.26 %. Also, in this study optimization was performed by the genetic algorithm. optimization parameters , temperature of 61.825? , pressure 30 MPa , flow rate 1.226 ml/min , dynamic time 119.98 min and optimal recovery of Harmine 52.302% is obtained. Therefore, the optimal parameters values of the genetic algorithm and the response surface design are well matched together.
گیاه اسپند از دیرباز در طب سنتی، به عنوان دارو جایگاه ویژهای داشته است. این گیاه حاوی آلکالوئیدهای مهمی از قبیل هارمالین، هارمین، هارمان و غیره است. غلظتهای مختلف آلکالوئیدهای یادشده در درمان بیماریهای مختلفی از جمله مهار سلولهای سرطانی موثر است. بنابراین، توسعه یک روش کارآمد و اقتصادی برای استخراج آلکالوئیدها از نظر جنبه های پزشکی و اقتصادی از اهمیت زیادی برخوردار است. مواد گیاهی را با روشهای مختلف مرسومو نامرسوم استخراج می کنند. یکی از روش های نامرسوم استخراخ با سیاالت فوقبحرانی است. روش استخراج با سیال فوق بحرانی به دلیل کاهش استفاده از حاللهای آلی مضر، زمان استخراج کوتاهتر و نرخ پخش باالی چربی ها، نسبت به سایر تکنیک ها برتر است. روش ها: در این پژوهش ، با استفاده از روش سطح پاسخ )در نرم افزار مینی تب 11 )تعداد 11 آزمایش برای استخراج هارمین از دانه ی گیاه اسپند با کربن دی اکسید فوق بحرانی به همراه اصالحگر) اتانول( طراحی شد. در این آزمایشها تاثیر چهار پارامتر عملیاتی )دما ،فشار، شدت جریان دی- اکسیدکربن و زمان دینامیک ( با محدودههای عملیاتی به ترتیب 13-53 درجه سانتیگراد ، 11-11 مگاپاسکال، 1/1-9/1 میلیلیتر بر دقیقه و 01- 121 دقیقه بر میزان بازیابی هارمین مورد بررسی قرار گرفت. همچنین، عالوه بر استخراج فوق بحرانی، استخراج سوکسله )با حالل متانول( نیز صورت گرفت. عالوه بر این، فرآیند استخراج با استفاده از یک مدل ریاضی مدلسازی شده است. پارامترهای مدل شامل ضریب نفوذ مؤثر، ضریب انتقال جرم الیهای، پراکندگی محوری)محاسبه از روابط تجربی (، و ضریب توزیع)محاسبه از الگوریتم ژنتیک( میباشند. ضریب توزیع از طریق الگوریتم ژنتیک به گونهای محاسبه شده است که خطای میانگین مطلق نسبی میان نتایج مدل و دادههای تجربی)AAD )حداقل شود. نتایج: آنالیز سطح پاسخ نشان داد که دادههای آزمایشگاهی به خوبی به وسیلهی یک مدل مرتبه دوم برازش میشوند. به طوری که ضریب تشخیص ?? ( 2 ) در مدل برابر با 19/99 %و ضریب تشخیص اصالحشده )???????? 2 ( برابر با 02/91 %است. نتایج نشان داد که ترمهای خطی فشار ، دما ، نرخ جریان و زمان دینامیک )001.0 )?? ? و ترمهای مربع دما و دبی )001.0 )?? همچنین ترم مربع زمان دینامیک )05.0 )?? دارای اثر قابل توجهی بر پاسخ مدل )میزان بازیابی( هستند. همچنین مقدار بهینهی پارامترهای استخراج در محدودهی آزمایش، به صورت دمای 11/11 درجه سانتیگراد ، فشار 11 مگاپاسکال ، نرخ جریان 22/1 میلیلیتر بر دقیقه و زمان دینامیک 121 دقیقه میباشد که تحت این شرایط میزان بازیابی هارمین برابر با 11/32 %پیشبینی شدهاست. نتایج مدلسازی ریاضی نیزنشان داد که این مدل به خوبی قادر به پیشبینی دادههای آزمایشگاهی است و خطای مطلق متوسط %26.3=AAD به دست آمد که بیانگر سازگاری و دقت مناسب این مدل است. همچنین در این پژوهش بهینهسازی توسط الگوریتم ژنتیک انجام گرفت و پارامترهای بهینه ، دمای 923/11درجه سانتیگراد ، فشار 11 مگاپاسکال ، نرخ جریان 221/1 میلیلیتر بر دقیقه و زمان دینامیک 99/119 دقیقه و در نهایت مقدار بهینه بازیابی هارمین 112/32 درصد به دست آمده است. بنابراین مقادیر پارامترهای بهینه الگوریتم ژنتیک و طراحی رویه پاسخ مطابقت خوبی با یکدیگر دارند.