SUPERVISOR
S.Mohammad Ghoreshi
سیدمحمد قریشی (استاد راهنما)
STUDENT
Sina Radfar
سینا رادفر
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Supercritical Extraction of L-Carnitine from Oyster Mushroom via Supercritical CO2 and Methanol as co-Solvent: Modeling and Optimization
L-carnitine is a natural amino acid that is often used to lose weight. It plays a vital role in energy production by transferring fatty acids into mitochondrial cells. The mitochondria act as intracellular motors and burn these fats to provide the energy needed by the body. In addition to the major advantage of facilitating weight loss, research has shown that it has the benefits of improving brain activity and preventing the decline in brain activity in patients with Alzheimer's disease, lowering blood pressure, improving inflammation and heart disease and reducing cardiac arrest, improving body function in endurance exercises, reducing symptoms and complications associated with type 2 diabetes, and maturation and increasing sperm fertility. The body can produce L-carnitine virtually through the lysine and methionine amino acids. In addition, a person can receive L-carnitine from external sources, such as animal and plant products, as well as supplements. Because some people may have a deficiency of this substance that can be caused by genetics, certain medications (valproic acid for seizure), or the effects of some therapies (hemodialysis for kidney disease), therefore, the supply of this material has always been of interest from external sources. However, animal sources contain significant amounts of L-carnitine, but research has shown that among plant sources, mushrooms and, in particular, oyster mushrooms contain high and comparable amounts of L-carnitine. Supercritical extraction, in particular extraction with carbon dioxide, has been considered in recent decades due to its advantages such as non-flammability, non-toxicity, high purity, low prices, lack of solvent residue, higher selectivity, higher speed, and higher yields. In this study, extraction of L-carnitine from oyster mushroom using supercritical carbon dioxide and methanol as co-solvent was performed on a laboratory scale. The response surface method was used to analyze the results of extraction. For this purpose, the effect of parameters such as pressure (10-30 MPa), temperature (40-80 °C), flow rate (0.5-2.5 ml/min), and dynamic time (40-120 min) on the rate Recovery of L-carnitine was investigated. The response level analysis showed that the laboratory data was well fitted with a second-order polynomial model, with a determination coefficient of 93.05% and a correction coefficient of 86.98%. In addition, it was found that linear and second order semantics of all parameters, together with the interaction between temperature and pressure, have a very important effect on the recovery rate of L-carnitine. Also, the investigations showed that the optimal values of extraction parameters in the experimental range were 40 °C, 19.5 MPa, 2.14 ml/min flow rate and 120 min extraction time, under which the recovery rate of L-carnitine was equal to 55.28% is predicted, which with performing 3 tests at the optimal point, the relative error was obtained at ±0.4%. In addition, in the present study, the extraction process is modeled using a mathematical model. In the model, the effect of axial dispersion in the fluid phase, the film mass transfer resistance, and the hole diffusion in the particles is considered. The model parameters include effective diffusion coefficient, film mass transfer coefficient, axial dispersion, and distribution coefficient. The first three parameters are calculated by empirical relationships and the distribution coefficient, which is used to express the equilibrium state between the solid phase and the fluid inside the cavities, has been calculated through thermodynamic and genetic algorithms, in which the absolute average relative deviation between the model results and the experimental data minimize. The values of absolute average relative deviation obtained from thermodynamic and genetic methods and the coefficient of determination of the mathematical model in this study were less than 14%, 4% and 95.83% respectively, which indicates the compatibility and proper accuracy of this model. Finally, the process was experimentally modeled using artificial intelligence techniques such as artificial neural network and adaptive neuro-fuzzy inference system, so that the accuracy of these models based on their determination coefficient was 98.18% and 94.26% respectively which suggests that the experimental modeling with the artificial neural network is stronger than other modeling approaches. Keywords Supercritical extraction, co-Solvent, L-carnitine, Oyster mushroom, Carbon dioxide, Methanol, Response surface methodology, Mathematical modeling, Equations of state, Genetic algorithm, Artificial neural network, Adaptive neuro-fuzzy inference system
ال-کارنیتین یک آمینواسید طبیعی است که اغلب برای کاهش وزن استفاده میشود. این ماده نقشی حیاتی در تولید انرژی، توسط انتقال اسیدهای چرب به درون سلولهای میتوکندری بازی میکند. میتوکندری بهعنوان موتورهایی درون سلول عمل کرده و این چربیها را سوزانده تا انرژی موردنیاز بدن را تأمین نماید. علاوه بر مزیت عمد? تسهیل در کاهش وزن، تحقیقات نشان داده است که این ماده دارای مزایایی در بهبود فعالیت مغز و جلوگیری از روند نزول فعالیت مغزی در بیماران مبتلا به آلزایمر، کاهش فشار خون، بهبود التهاب و اختلالات قلبی و کاهش ابتلا به ایست قلبی، بهبود عملکرد بدن در ورزشهای استقامتی، کاهش علائم و عوارض مرتبط با بیماری دیابت نوع 2، و بالغسازی و افزایش قدرت باروری اسپرم میباشد. بدن میتواند ال-کارنیتین را عملاً از طریق آمینواسیدهای لیزین و متیونین تولید نماید. علاوه بر این کار، فرد میتواند ال-کارنیتین موردنیاز خود را از طریق منابع خارجی همچون محصولات حیوانی و گیاهی و همچنین مکملها نیز دریافت نماید. از آنجایی که امکان کمبود این ماده در برخی افراد وجود دارد که میتواند ناشی از ژنتیک، برخی داروها (اسید والپروئیک برای تشنج)، و یا اثرات ناشی از برخی روشهای درمانی (همودیالیز برای بیماری کلیه) باشد، لذا همواره تأمین این ماده از منابع خارجی مورد توجه بوده است. با این حال که منابع حیوانی حاوی مقادیر قابل توجهی از ال-کارنیتین میباشند، اما تحقیقات نشان داده شده است که در بین منابع گیاهی، قارچ و به ویژه قارچ صدفی حاوی مقادیر بالا و قابل مقایسهای از ال-کارنیتین میباشد. استخراج فوقبحرانی به ویژه استخراج با کربن دیاکسید فوقبحرانی بهدلیل دارا بودن مزیتهایی مانند آتشگیر نبودن، غیرسمی بودن، خلوص بالا، قیمت پایین، عدم وجود باقیماند? حلال، انتخابپذیری بالاتر، سرعت بالاتر، و بازدهی بالاتر در دهههای اخیر مورد توجه قرار گرفته است. در این تحقیق، استخراج ال-کارنیتین از قارچ صدفی با استفاده از کربن دیاکسید فوقبحرانی و به همراه سیال کمکی متانول در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده است و روش سطح پاسخ برای تحلیل نتایج حاصل از استخراج استفاده شده است. به همین منظور، تأثیر پارامترهایی مانند فشار (10-30 MPa)، دما (40-80 °C)، نرخ جریان (0/5-2/5 ml/min)، و زمان دینامیک (40-120 min) روی میزان بازیابی ال-کارنیتین مورد بررسی قرار گرفت. آنالیز سطح پاسخ نشان داد که دادههای آزمایشگاهی به خوبی توسط یک مدل چندجملهای مرتب? دوم برازش شدهاند بهطوری که ضریب تعیین برابر %05/93 و ضریب تعیین تصحیحشده برابر %98/86 میباشد. علاوه بر این، مشخص شد که ترمهای خطی و مرتب? دوم تمامی پارامترها به همراه اثر متقابل بین دما و فشار تأثیر بسیار مهمی روی میزان بازیابی ال-کارنیتین دارند. همچنین بررسیها نشان داد که مقادیر بهین? پارامترهای استخراج در محدود? آزمایش، بهصورت دمای 40°C، فشار MPa 50/19، نرخ جریان ml/min 14/2، و زمان استخراج min 120 میباشد که تحت این شرایط میزان بازیابی ال-کارنیتین برابر %28/55 پیشبینی شده است که با 3 بار انجام آزمایش در این نقاط بهینه، میزان خطای نسبی در حدود %4/0± بهدست آمد. علاوه بر این، در پژوهش حاضر، فرآیند استخراج با استفاده از یک مدل ریاضی مدلسازی شده است. در مدل به کار رفته، تأثیر پراکندگی محوری در فاز سیال، مقاومت انتقال جرم لایهای، و نفوذ حفرهای در داخل ذرات در نظر گرفته شده است. پارامترهای مدل شامل ضریب نفوذ مؤثر، ضریب انتقال جرم لایهای، پراکندگی محوری، و ضریب توزیع میباشند. سه پارامتر اول از طریق روابط تجربی محاسبه شده و ضریب توزیع که برای بیان حالت تعادل بین فاز جامد و سیال داخل حفرهها استفاده شده است از طریق روشهای ترمودینامیکی و الگوریتم ژنتیک محاسبه شده است به گونهای که خطای میانگین مطلق نسبی میان نتایج مدل و دادههای تجربی حداقل شود. مقادیر خطای میانگین مطلق نسبی حاصل از روش ترمودینامیکی و ژنتیکی و ضریب تعیین مدل ریاضی در این پژوهش بهترتیب کمتر از 14%، 4% و %83/95 شده است که بیانگر سازگاری و دقت مناسب این مدل است. در انتها نیز فرآیند توسط روشهای مختلف هوش مصنوعی از جمله شبک? عصبی مصنوعی و سیستم استنتاج عصبی-فازی سازگار مورد مدلسازی تجربی قرار گرفت بهطوری که دقت این مدلها براساس ضریب تعیین آنها به ترتیب برابر %79/98 و %26/94 شد که بیانگر قویتر بودن مدلسازی تجربی با شبک? عصبی مصنوعی نسبت به دیگر روشهای مدلسازی میباشد. کلمات کلیدی: استخراج فوقبحرانی، اصلاحگر، ال-کارنیتین، قارچ صدفی، کربن دیاکسید، متانول، روش سطح پاسخ، مدلسازی ریاضی، معادل? حالت، الگوریتم ژنتیک، شبک? عصبی مصنوعی، سیستم استنتاج عصبی-فازی سازگار