Search

Tema ove doktorske disertacije je ispitivanje bubrenja biljnog materijala pod uticajem natkritičnog ugljenik(IV)-oksida, kao i efekata koje bubrenje ima na proces natkritične ekstrakcije (NKE). Na rezultate eksperimenata u kojima je praćena kinetika procesa NKE primenjen je matematički model na nivou sekrecione strukture i model Sovove, kako bi se promene do kojih dolazi usled bubrenja biljnog materijala kvantitativno izrazile preko parametara modela. Ispitano je bubrenje glandularnih trihoma biljaka familije Lamiaceae, bubrenje hmelja u vidu mlevenih čestica biljnog materijala i industrijskih granulata, i bubrenje čestica korena odoljena i rizoma đumbira. Ispitivanja su vođena u pravcu optimizacije procesa NKE u odnosu na potrošnju natkritičnog fluida i energije. Za proces NKE etarskih ulja iz glandularnih trihoma razvijen je kompleksan matematički model koji uključuje raspodelu vremena pucanja glandularnih trihoma, koji opisuje proces NKE sa znatno većom tačnošću u odnosu na postojeće matematičke modele. Za ekstrakciju na višim pritiscima definisan je optimalan predtretman biljnog materijala kojim se postižu značajne uštede natkritičnog fluida. U slučaju bubrenja hmelja razmatrani su fenomeni prenosa mase u šišaricama i granulatima hmelja izloženim natkritičnom fluidu na različitim uslovima. Rezultati su objasnili pojave koje se dešavaju na industrijskom nivou, a pre svega nepoželjno očvršćavanje ekstrakcione pogače. Parametri procesa (koeficijenti difuzije kroz čvrstu fazu) opisani su primenom matematičkih modela na eksperimentalne rezultate. U slučaju bubrenja korena odoljena i rizoma đumbira, izborom optimalnog predtretmana ostvarene su značajne uštede natkritičnog fluida. Parametri procesa (koeficijenti prenosa mase kroz čvrstu fazu) opisani su primenom matematičkih modela na eksperimentaln rezultate. The subject of this disertation is the swelling of plant material under the influence of supercritical carbon dioxide, as well as the effects of swelling on the process of supercritical fluid extraction (SFE). The results of experiments on the kinetics of the SFE processes were modeled using a mathematical model on the micro-scale and the Sovova’s model, which quantitatively express, through the parameters of the model, the changes that occur due to the swelling of plant material. The swelling of glandular trichomes of plants of the Lamiaceae family, swelling of hop in the form of ground particles of plant material and industrial granulates, and swelling of the particles of valerian root and rhizome of ginger were observed. The tests were conducted in order to examine the possibility of optimization the SFE process in respect to the consumption of supercritical fluids and energy. For the process of SFE of essential oils from glandular trichomes, a complex mathematical model which includes the cracking time distribution for glandular trichomes was developed. The new model describes the process of SFE with significantly higher accuracy than the existing mathematical models. For extraction at higher pressures the optimal pretreatment of plant material is defined with the goal to achieve significant savings of supercritical fluid. In the case of swelling of hops, the mass transport phenomena in granulates and cones exposed to supercritical fluid in various conditions were considered. The results explained phenomena that occur on industrial scale, especially undesirable hardening of the extraction cake. Process parameters (diffusion coefficients in the solid phase) are described by applying mathematical models to experimental results. In the case of swelling of valerian root and rhizome of ginger, significant savings of supercritical fluid consumption were achieved by choosing the optimal treatment. Process parameters (coefficients of mass transfer through the solid phase) are described by applying mathematical models to experimental results.

The subject of this disertation is the swelling of plant material under the influence of supercritical carbon dioxide, as well as the effects of swelling on the process of supercritical fluid extraction (SFE). The results of experiments on the kinetics of the SFE processes were modeled using a mathematical model on the micro-scale and the Sovova’s model, which quantitatively express, through the parameters of the model, the changes that occur due to the swelling of plant material. The swelling of glandular trichomes of plants of the Lamiaceae family, swelling of hop in the form of ground particles of plant material and industrial granulates, and swelling of the particles of valerian root and rhizome of ginger were observed. The tests were conducted in order to examine the possibility of optimization the SFE process in respect to the consumption of supercritical fluids and energy. For the process of SFE of essential oils from glandular trichomes, a complex mathematical model which includes the cracking time distribution for glandular trichomes was developed. The new model describes the process of SFE with significantly higher accuracy than the existing mathematical models. For extraction at higher pressures the optimal pretreatment of plant material is defined with the goal to achieve significant savings of supercritical fluid. In the case of swelling of hops, the mass transport phenomena in granulates and cones exposed to supercritical fluid in various conditions were considered. The results explained phenomena that occur on industrial scale, especially undesirable hardening of the extraction cake. Process parameters (diffusion coefficients in the solid phase) are described by applying mathematical models to experimental results. In the case of swelling of valerian root and rhizome of ginger, significant savings of supercritical fluid consumption were achieved by choosing the optimal treatment. Process parameters (coefficients of mass transfer through the solid phase) are described by applying mathematical models to experimental results. Tema ove doktorske disertacije je ispitivanje bubrenja biljnog materijala pod uticajem natkritičnog ugljenik(IV)-oksida, kao i efekata koje bubrenje ima na proces natkritične ekstrakcije (NKE). Na rezultate eksperimenata u kojima je praćena kinetika procesa NKE primenjen je matematički model na nivou sekrecione strukture i model Sovove, kako bi se promene do kojih dolazi usled bubrenja biljnog materijala kvantitativno izrazile preko parametara modela. Ispitano je bubrenje glandularnih trihoma biljaka familije Lamiaceae, bubrenje hmelja u vidu mlevenih čestica biljnog materijala i industrijskih granulata, i bubrenje čestica korena odoljena i rizoma đumbira. Ispitivanja su vođena u pravcu optimizacije procesa NKE u odnosu na potrošnju natkritičnog fluida i energije. Za proces NKE etarskih ulja iz glandularnih trihoma razvijen je kompleksan matematički model koji uključuje raspodelu vremena pucanja glandularnih trihoma, koji opisuje proces NKE sa znatno većom tačnošću u odnosu na postojeće matematičke modele. Za ekstrakciju na višim pritiscima definisan je optimalan predtretman biljnog materijala kojim se postižu značajne uštede natkritičnog fluida. U slučaju bubrenja hmelja razmatrani su fenomeni prenosa mase u šišaricama i granulatima hmelja izloženim natkritičnom fluidu na različitim uslovima. Rezultati su objasnili pojave koje se dešavaju na industrijskom nivou, a pre svega nepoželjno očvršćavanje ekstrakcione pogače. Parametri procesa (koeficijenti difuzije kroz čvrstu fazu) opisani su primenom matematičkih modela na eksperimentalne rezultate. U slučaju bubrenja korena odoljena i rizoma đumbira, izborom optimalnog predtretmana ostvarene su značajne uštede natkritičnog fluida. Parametri procesa (koeficijenti prenosa mase kroz čvrstu fazu) opisani su primenom matematičkih modela na eksperimentaln rezultate.

U radu su prikazani eksperimentalni rezultati natkritične ekstrakcije etarskog ulja bobicakleke (Juniperus communis L.) i ulja iz semena uljane tikve golice (Cucurbita pepo L.). Ispitan je uticaj pritiska, temperature, stepena usitnjenosti čestica i protoka natkritičnogugljendioksida na promenu prinosa ulja sa vremenom. U cilju poređenja, usitnjeno seme uljane tikve ekstrahovano je i u ekstraktoru većih dimenzija, NOVA-SWISS, Highpressure extraction plant, kao i heksanom i petroletrom u ekstraktoru tipa Sokslet.Praćena je i promena kvaliteta ekstrakata sa vremenom: u etarskom ulju kleke, GC-FID i GC-MS metodama, određen je relativni sadržaj 50 terpenskih jedinjenja i sve komponente ulja su svrstane u 5 osnovnih grupa (monoterpene, seskviterpene, oksidovane monoterpene, oksidovane seskviterpene i ostale komponente). U tikvinom ulju ekstrahovanom natkritičnim ugljendioksidom određen je masnokiselinski sastav GC-MS analizom, sadržaj tokoferola HPLC analizom, sterola i skvalena GC-MS metodom. Određeni su uslovi koji favorizuju ekstrakciju ispitanih jedinjenja za obe sirovine. Dat je dateljan prikaz matematičkih modela koji se koriste za opisivanje natkritične ekstrakcije etarskih ulja i masnih ulja, počevši od najopštijeg modela koji uključuje diferencijalne bilanse mase za rastvorak u masi natkritičnog fluida, u fluidu unutar pora čestica usitnjenog matrijala i u čvrstoj fazi, koji se uvođenjem određenih pretpostavki pojednostavljuje i svodi na modele koji su izabrani da budu ispitani u okviru ovoga rada. Ispitani su modeli kreireni po analogiji sa hlađenjem vrele kugle u masi fluida, tj. modeli tipa jedne sfere i to: Model jedne sfere-1 (MJS-1), koji pored uticaja koeficijenta efektivne difuzije ulja u materijalu na brzinu prenosa mase uzima u obzir uticaj koeficijenta prenosa mase kroz film natkritičnog fluida oko čestice, pri čemu je njegova vrednost procenjena preko postojećih korelacija; MJS-1 (2 par), u kome je spoljašnji koeficijent prenosa mase uzet kao drugi prilagodljiv parametar modela; MJS-2, gde je koeficijent efektivne difuzije jedini prilagođeni parametar, Model karakterističnog vremena i prošireni model klipnog toka koji je predložila Sovová. Za modelovanje natkritične ekstrakcije ulja semena tikve korišćen je i kombinovani model Honga i sar. Softverskim paketima Mathcad 2001 Professional i Solver dodatka unutar Microsoft Excel 2003, određeni su parametri ispitanih modela u cilju najboljeg slaganja modela sa ekperimentalnim podacima. Za obe ispitane sirovine, među ispitanim modelima, izabrani su modeli koji najbolje opisuju njihovu ekstrakciju natkritičnim ugljendioksidom. Prošireni model klipnog toka koji je predložila Sovová pokazao se podjednako dobrim za modelovanje natkritične ekstrakcije obe sirovine i nešto bolji od ostalih primenjenih modela., This study provides results of supercritical carbon dioxide (SCCO2) extraction of juniper berries (Juniperus communis L.) and pumpkin seeds (Cucurbita pepo L. convar.citrullina) in a laboratorysupercritical fluid extraction apparatus. The influenceof pressure, temperature, particle size and carbon dioxide flow on the extraction kinetics of pumpkin seed oil and juniper berry essential oil was studied. Ground pumpkin seeds were also extracted with supercritical carbon dioxide in NOVA-SWISS, High Pressure Extraction Plant, and with hexane and petroleum ether in a laboratory Soxhlet extractor. This work was also aimed to investigate the evolution of the composition of juniper fruit supercritical CO2 extracts with time, at different extraction pressures and to emphasize the most favorable condition for the extraction of different terpene hydrocarbon groups, reporting the qualitative differences among extracts collected during successive extraction time periods. Juniper berry extracts were analyzed by capillary gas chromatography, using flame ionization (GC-FID) and mass spectrometric detection (GC-MS). More than 200 constituents were detected in the extracts and the contents of 50 compounds were reported in the work. Dependence of the percentage yields of monoterpene, sesquiterpene, oxygenated monoterpene and oxygenated sesquiterpene hydrocarbon groups on extraction time was investigated and conditions that favored the yielding of each terpene groups were emphasized. GC-MS analysis of FAME, prepared by transesterification of pumpkin seed oil with KOH in methanol, was performed. Fatty acid compositions of supercritical CO2 pumpkin seed extract fractions collected in successive time intervals over the course of the extraction were determined. The same fractions were analyzed by high pressure liquid chromatography (HPLC), using diode-array detector (DAD) in order to determine a- and g-tocopherol contents. Sterol and squalene contents were determined by GC-MS analysis, as well. Conditions that favored the yielding of tocopherols, squalene and sterols were emphasized. A general mass transfer model and its simlifications were analysed. Extraction curves were evaluated by “hot sphere” mathematical models SSM-1 (Single Sphere Model 1 – in which the external mass transfer coefficient also influences the extraction profile and film mass transfer coefficients were estimated by the correlations), SSM-1 (2 par) (film mass transfer coefficient is used as the second adjustable parameter), SSM-2 (only effective diffusivity influence is considered), Characteristic time model and by the extended Lack’s plug-flow model given by Sovová. A combined model of Hong et al. was also fitted to the experimental data for pumpkin seed oil SCCO2extractions. Relative merits of the models are demonstrated. Good agreement between the extended Lack’s plug-flow model and the experimental measurements was obtained.