به نام خداوند بخشنده مهربان

استخراج روغن سبوس برنج با روش استخراج با سيّال تحت فشار ( PFE ) دانشگاه صنعتی اصفهان دانشكده شیمی استخراج روغن سبوس برنج با روش استخراج با سيّال تحت فشار ( PFE ) و بهينه‌كردن شرايط استخراج به وسيله طراحی فاكتوريال سميه كوچكي استاد راهنما: استاد مشاور: دکتر سيد حسن قاضی عسکر دکتر مهدی کديور اسفند 85

عناون مطالب : بخش تجربی نتيجه گيری و آينده نگری 3 بخش تئوری نتيجه گيری و آينده نگری استخراج و روش های مختلف آن سبوس برنج و روغن قابل استحصال آن طراحی آزمايش 3

هدف از استخراج، جداکردن و بازيابی ترکيبات مورد نظر از بافت نمونه است . سادگی، سرعت عمل و بازيابی کمّی ترکيبات مورد نظر از بافت نمونه، بدون کاهش و يا تجزيه‌شدن آنها و اقتصادی ‌بودن روش. نسبت به روشهای جداسازی از حساسيت بيشتری برخوردار است. تعريف استخراج 4

استخراج مايع – مايع: استخراج فاز جامد: 5

استخراج مايع – جامد: روشهای عملی استخراج مايع-جامد عبارتند: سوكسله سوكستك استخراج با کمک امواج مايكروويو استخراج با کمک امواج فرا صوت استخراج با سيال فوق بحراني استخراج با سيال تحت فشار يا استخراج با حلال تسريع شده 6

سوكسله: اجزاي تشكيل دهنده: 1848 Franz van Soxhlet 1- وسيله گرم كننده بالن حاوي حلال 2- 3- محفظه استخراج 4- انگشتانه 5- مبّرد 7

سوكستك: اجزاي تشكيل دهنده: 1970 1982 ظرف حاوي حلال 1- 2-انگشتانه 3- سيستم بازيابي حلال مبّرد 4- 8

استخراج توسط دستگاه سوكستك شامل 3 مرحله است: 1- مرحله جوشيدن 2- مرحله شستشو 3- در مرحله بازيابي حلال 9

 تمايل براي كاهش استفاده از حلالهاي آلي خطرناك در استخراج هاي در سالهاي اخير موجب توسعه روشهاي جديد استخراج با مصرف كم حلال نسبت به روشهاي كلاسيك شده است. در ميان اين روش‌ها:  1- استخراج با سيال فوق بحراني (Supercritical Fluid Extraction): 2- استخراج با کمک امواج مايكروويو (Microwave Associated Extraction): 3- استخراج با سيال تحت فشار (Pressurized Fluid Extraction): 10

استخراج با سيال فوق بحراني: ‍ ‍CO2‌ دانسيته شبيه گازها ويسكوزيته و كشش سطحي شبيه گازها استخراج با کمک امواج مايكروويو: امواج مايكروويو كاهش زمان استخراج و مصرف حلال 11

استخراج با سيال تحت فشار :(PFE) جامد و نيمه جامد استخراج با سيال تسريع شده (Accelerated Solvent Extraction) آژانس حفاظت از محيط زيست 1994. مواد زايد و آفت كش ها در خاك و تركيبات آروماتيك چندهسته اي 1995. 12

13

هر سيستم PFE شامل قسمت هاي زير مي باشد: مخزن حلال پمپ فشار بالا: پمپ مايع رفت و برگشتی پيستونی، مدل اين پمپ PU-2080 از شرکت JASCO ژاپن. سل استخراج: استنلس استيل 316، سل يك‌طرفه، حجم 10 ميلی‌ليتر سيستم كنترل دما (گرمخانه) co-2060 Plus از شركت JASCO ژاپن. كنترل كننده فشار برگشتيBP-1580-81 از شركت JASCO ژاپن. ظرف جمع‌آوري 14

15

مراحل استخراج: - پركردن نمونه در داخل سل و قراردادن در داخل گرمخانه. - پر كردن سل استخراج به وسيله حلال. - گرم‌كردن و رساندن فشار به فشار مورد نظر. - استخراج به صورت استاتيك. - استخراج به صورت ديناميك. - جمع آوري نمونه. 16

مزيّت‌های نسبی اين روش نسبت به روشهاي سنتي استخراج عبارتند: در كسري از زمان (در دقيقه) انجام مي شود. هزينه پايين است و مصرف حلال تا 90% كاهش مي يابد. براي دسته زيادي از تركيبات استفاده مي شود. روشي خودکار بوده و مي تواند به طور همزمان تعداد زيادي استخراج را انجام داد. 17

چند نمونه از سيستم تجاري از شركت DIONEX : 18

كاربردهاي روش PFE: مواد دارويي و مواد طبيعي مطالعات زيست محيطي - تركيبات فعّال - گياهان دارويي مطالعات زيست محيطي ضايعات و آفت كش ها تركيبات آروماتيك چندتايي دي فنيل هاي چندكلره فوران ها و دي اكسينها نساجي و الياف مواد غذايي ضايعات باقي مانده در مواد غذايی - چربي ها - ويتامين ها 19

سبوس برنج: محصول فرعي حاصل از فرايند توليد برنج سفيد است. حدوداً غذاي بيش از نيمي از جمعيت جهان. حدود 10- 8 درصد وزني از برنج. حدود 20-12 درصد وزني از سبوس برنج. 20

خواص خاص روغن سبوس برنج: اهميت بررسي موضوع: خواص خاص روغن سبوس برنج: اسيدچرب ترانس دماي احتراق بالا درصد اسيدچرب اشباع پايين ويتامين E آنتي اكسيدان 21

Tocopherol Tocoterienol Oryzanol 22

خاصيت آنتي اكسيداني 23

ساير كاربردهاي سبوس برنج: جاذبهاي بيولوژيكي ساخته شده از سبوس برنج براي جذب فلزاتي مثل +6.Cr تركيبات آلي كلردار و بنزن از پساب ها. تهيّه سراميك هاي تحت عنوانSiC/rice bran carbon . سبوس برنج روغن كشي شده از نظر پروتئينی غني از 8 اسيدآمينه ضروري است ميزان پروتئين در سبوس برنج16-12. براي استخراج فروليك اسيد. عامل جلوگيري كننده از ايجاد كف توليد اسيد­فسفريك 24

25

26

California rice bran oil King rice bran oil Honest Food 27

طراحي آزمايش و بهينه سازي طراحی آزمايش  بهينه سازی طرح فاكتوريال كامل طراحی فاکتوريال طرح فاكتوريال جزئي يکی در يک زمان همزمان 28

Central Composite Designs كدگذاري مقدار مركزي صفر مقادير بزرگتر مثبت مقادير كوچكتر منفي 29

Central Composite Designs (CCD): نقاط مكعب (ناحيه فاكتوريال ) : k2 نقاط ستاره k2 نقاط مركزي روشهاي مختلف از طراحي CCDوجود دارد كه شامل موارد زير است: CCC CCI CCF 30

براي بدست آوردن نقاط ستاره و براي حفظ حالت چرخشي و متعامد‌‌بودن طراحي: α = (Nf)1/4 Number of factors Factorial Portion Scaled Value for α 2 22 1.414 3 23 1.682 4 24 2.00 5 25-1 2.00 6 26-1 2.378 31

طراحي CCC : 32 2k 2k 7 X1 X2 X3 X4 X1 X2 X3 X4 -1 -1 -1 -1 -2 0 0 0 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 1 -1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 1 1 1 1 1 -2 0 0 0 2 0 0 0 0 -2 0 0 0 2 0 0 0 0 -2 0 0 0 2 0 0 0 0 -2 0 0 0 2 0 0 0 0 2k 2k 7 32

روئه پاسخ و ساخت مدل: y = ƒ ( x1‚ x2‚ … , xk ) Y = β0 + ∑ βj Xi + ∑ βjj Xj2 + ∑ βjk Xj Xk Y پاسخ سيستم Xijk متغيّرهاي سيستم ضريب رگراسيون براي ضريب ثابت : β0 : ضريب رگراسيون براي ترم‌هاي خطي βj : ضريب رگراسيون براي ترم‌هاي مربع βjj : ضريب رگراسيون براي ترم‌هاي برهمكنش βjk 33

بخش تجربي: آماده‌سازي نمونه‌ها: مش 80 - 70 برنج طارم نمونه در گرمخانه در دماي oC 100 به مدت 3 ساعت و نيم وزن نمونه(گرم) 955/1 860/1 848/1 843/1 841/1 840/1 839/1 839/1 زمان(دقيقه) 0 30 60 90 120 150 180 210 درصد رطوبت: 933/5 34

وزن روغن استخراج شده (g) استخراج روغن سبوس برنج توسط دستگاه سوکسله: حلال استخراج n :-هگزان مدت زمان استخراج : 10ساعت وزن سبوس(g) وزن روغن استخراج شده (g) درصد روغن (%) 789/15 468/15 202/15 522/15 457/2 449/2 379/2 458/2 562 /15 832/15 653/15 821/15 768/0RSD= 121/0 SD= 717/15:ميانگين 35

وزن روغن استخراج شده (g) استخراج روغن سبوس برنج توسط دستگاه سوکستک: حلال استخراج n :-هگزان مرحله جوشيدن: 2 ساعت مرحله شستشو: يک ساعت و نيم مدت زمان استخراج : مرحله بازيابي حلال: 30 دقيقه وزن سبوس(g) وزن روغن استخراج شده (g) درصد روغن (%) 778/15 618/15 764/15 542/15 515/2 473/2 547/2 526/2 943/15 836/15 135/16 254/16 171/1RSD= 188/0SD= 042/16:ميانگين 36

متغيرها موثر در روش PFE: دما فشار زمان استاتيک استخراج زمان ديناميک استخراج سرعت جريان حلال درصد خرده شيشه که با نمونه ترکيب 37

استخراج سبوس برنج با روش PFE : اثر خورده شيشه: درصد خرده شيشه: 60% دما 50 فشار 50 سرعت جريان 4/0 زمان ديناميك 20 دقيقه 38

2± =4/1 (16) ±=4/1(تعداد اندازه گيري در بخش فاكتوريال) ± = α پارامترها سطوح كدگذاري شده 2- 1- 1+ 2+ دما(سانتيگراد) 40 50 60 70 80 فشار(بار) 20 110 140 زمان(دقيقه) 10 30 سرعت جريان(ميلي ليتر دز دقيقه) 2/0 4/0 6/0 8/0 1 2± =4/1 (16) ±=4/1(تعداد اندازه گيري در بخش فاكتوريال) ± = α 39

40 سرعت جريان (ميلی ليتر در دقيقه) زمان (دقيقه) فشار (بار) دما (سانتيگراد) 1- 1+ 2- 2+ +2 40

41 بازده نسبی بازده وزن سبوس (گرم( وزن روغن (گرم) سرعت جريان (ميلي ليتر در دقيقه) زمان (دقيقه) فشار (بار) دما (سانتيگراد) شماره آزمايش 554/82 643/91 153/84 280/93 809/84 592/93 210/86 560/94 315/76 223/84 089/79 885/87 418/79 127/86 579/81 267/87 548/80 013/99 828/83 185/86 853/81 114/94 522/96 643/89 955/92 331/90 974/90 554/91 013/93 306/91 000/91 961/12 388/14 212/13 645/14 315/13 694/14 535/13 846/14 013/12 223/13 417/12 798/13 468/12 522/13 808/12 701/13 646/12 545/15 163/13 531/13 851/12 776/14 154/15 074/14 594/14 182/14 283/14 374/14 603/14 335/14 287/14 649/5 635/5 576/5 674/5 481/5 086/6 688/5 372/5 556/5 457/5 469/5 327/5 572/5 588/5 298/5 837/5 937/5 976/5 043/6 984/5 965/5 969/5 139/6 068/6 861/5 907/5 847/5 812/5 392/5 909/5 686/5 732/0 811/0 737/0 831/0 729/0 894/0 769/0 797/0 667/0 721/0 679/0 735/0 695/0 756/0 689/0 799/0 751/0 927/0 795/0 809/0 766/0 881/0 931/0 869/0 856/0 837/0 835/0 836/0 787/0 47/0 812/0 4/0 8/0 6/0 2/0 1 20 40 30 10 50 110 80 140 70 60 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15 16 17 18 19 21 22 23 24 25 26 27 28 29 31 41

ti = (bi-0)/s bi =bi / s bi 42 پارامترها ضريب پارامترها انحراف استاندارد پارامترها t براي فرضيه صفر   عرض از مبداﺀ T P t F T2 P2 t2 F2 T×P T×t T×F P×t P×F t×F 402/7- 7104/1+ 3961/0+ 2215/1+ 4564/1- 0086/0- 0023/0- 0131/0- 8812/0- 0001/0- 0032/0- 1768/0- 0008/0- 041/0+ 027/0- 310/509 284/0 023/0 2136/0 2179/285 -6 10 × 1/1 -6 10 × 37/2 -6 10 × 66/6 5729/103 -6 10 ×20/3 -6 10 × 02/1 0056/0 -6 10 × 50/4 1181/0 0729/0 0154/0- 0225/6 2217/17 7186/5 0051/0 18/7818- 464/970- 97/1966- 0085/0- 25/31- 25/3137- 5714/31- 778/177- 0617/5 3703/0- 42

Y= 8402/7- + 7104/1 T + 3961/0 P + 2215/1 t – 4564/1 F – 0086/0 T2 – 0023/0 P2 – 0131/0 t2 – 8812/0 F2 - 0001/0 T.P – 0032/0 T.t – 1768/0 T.F– 0008/0 P.t + 0410/0 P.F – 0270/0 F.t 43

پارامترها ضريب پارامترها انحراف استاندارد پارامترها t براي فرضيه صفر T P T2 P2 t2 T×P T×t T×F P×t P×F 5095/1 3782/0 0974/1 0073/0- 0022/0- 0126/0- 0002/0- 194/0- 0006/0- 0174/0 0409/0 0132/0 1043/0 -6 10× 57/2 -6 10× 47/2 -6 10× 75/4 -6 10× 9/6 -6 10× 85/3 003/0 -6 10× 20/2 0026/0 907/36 6515/28 5215/10 74/2840- 688/890- 63/2652- 9855/28 429/571- 6667/64- 727/272- 6923/6 Y= 5095/1 T + 3782/0 P + 0974/1 t – 0073/0 T2 – 0022/0 P2 – 0126/0 t2- 0002/0 T.P – 194/0 T.t -0006/0 T.F + 0174/0 P.F 44

SSlog مجموع مربعات فقدان برازش SSlog / (f-p) Flog = SSpe / (n-f) SSlog مجموع مربعات فقدان برازش SSpe مجموع مربعات خطاي خالص R2 مربع ضريب همبستگي براي مدل مقدار 9221/0 FCal (66/3) <FCrit (060/4) 45

نمودار بازده تجربی بر حسب بازده تئوری : R2 مربع ضريب همبستگي براي مدل مقدار 9221/0 46

47 شرايط بهينه: بازده تجربي و پيش بيني‌شده در شرايط بهينه: 80 34 2/0 دما (سانتيگراد) فشار (بار) زمان (دقيقه) سرعت جريان (ميلی ليتر در دقيقه) بازده استخراج% 80 34 2/0 14/101 بازده تجربي و پيش بيني‌شده در شرايط بهينه: درصد خطاي نسبي مقدار تجربی مقدار پيش بينی شده 712/1 41/0±43/99 14/101 47

رويه پاسخ بر حسب فشار و سرعت جريان در دمای oC 80 و زمان 40 دقيقه: 48

نمودار کانتر برای دو پارامتر فشار و سرعت جريان در دمایoC 80 و زمان 40 دقيقه: 49

رويه پاسخ بر حسب دما و سرعت جريان در فشار 90 بار و زمان 40 دقيقه: 50

نمودار کانتر برای دو پارامتر دما و سرعت جريان در فشار 90 بار و زمان 40 دقيقه : 51

رويه پاسخ بر حسب دما و فشار در سرعت جريان 2/0 ميلی ليتر در دقيقه و زمان 40 دقيقه: 52

نمودار کانتر برای دو پارامتر دما و فشار در سرعت جريان 2/0 ميلی ليتر در دقيقه و زمان 40 دقيقه : 53

رويه پاسخ بر حسب دما و زمان در فشار 90 بار و زمان 40 دقيقه: 54

نمودار کانتر برای دو پارامتر دما و زمان نمودار کانتر برای دو پارامتر دما و زمان. در فشار 90 بار و زمان 40 دقيقه: 55

اندازه گيري دقت استخراج با روش :PFE وزن سبوس وزن روغن استخراج شده بازده استخراج بازده نسبی 496/5 166/5 588/5 473/5 857/0 807/0 867/0 858/0 598/15 628/15 532/15 687/15 3509/99 5468/99 9335/98 9187/99 0041/0. RSD= 4103 /0= SD 43/99= ميانگين 56

مقايسه روغن بدست آمده از روش هاي PFE، سوكسله و سوكستك : تعيين انديس اسيدي روغن: بر حسب تعريف، انديس اسيدي روغن، تعداد ميلي گرم ئيدروكسيد پتاسيم يائيدروكسيد سديمي است كه براي خنثي كردن اسيد هاي آزاد يك گرم نمونه لازم مي باشد. سوکسله سوکستک PFE مقدار نمونه مولاريته سود حجم سود عدد اسيدی اسيديته آزاد 416/2 098/0 37/0 603/0 423/0 507/2 41/0 641/0 452/0 472/2 28/0 444/0 313/0 57

تعيين انديس صابوني روغن: انديس صابوني عبارت است از مقدار ميلي گرم هاي هيدروكسيد پتاسيم ياهيدوكسيد سديم كه براي صابوني كردن يک گرم روغن لازم مي باشد. سوکسله سوکستک PFE مقدار نمونه مولاريته اسيد حجم اسيد کلريدريک عدد صابونی 158/2 480/0 7/14 426/183 247/2 48/0 9/15 545/190 513/2 3/14 170/153 58

تعيين انديس يدي روغن: انديس يدي عبارت است از مقدار گرم يدي است كه با صد گرم روغن تحت شرايط ويژه آزمايش واكنش مي دهد . سوکسله سوکستک PFE مقدار نمونه نرماليته تيوسولفات سديم حجم تيوسولفات سديم عدد يدی 202/0 098/0 6/15 049/96 212/0 1/17 318/100 226/0 2/16 151/89 59

آينده نگري: - با توجه به اينكه سالانه مقدار زيادي برنج در نقاط مختلف كشور توليد مي شود، توجه به اين منبع با ارزش جهت توليد روغن كه درصد روغن آن به اندازه سويا، از دانه هاي روغني مهم، است امر ضروري به نظر مي رسد. ساليانه مقدار زيادي سبوس برنج در كشور توليد مي شود كه تاكنون مصرفي غير از خوراك دام براي آن در نظر گرفته نشده است. توجه به اين منبع با ارزش مي تواند بخشي از نياز مملكت را به واردات روغن برطرف كند. بنابراين سرمايه گذاري در اين زمينه امر ضروري به نظر مي رسد. - روغن برنج حاوي تركيبات باارزش طبيعي نظير ويتامين E و اوريزانول مي باشد. از اين مواد ارزشمند مي توان براي توليد مواد افزودني خوراكي استفاده كرد. همچنين به دليل خاصيت آنتي اكسيداني مي توان در مواد آرايشي استفاده نمود. بنابراين جاي كار در زمينه بهينه سازی و روشهای جداسازي اين تركيبات وجود دارد. 60

با تشکر 23