Effect of plant structure modification and natural convection in solvent on the rate of supercritical extraction
Effet de la modification de structure des végétaux et de la convection naturelle dans le solvant sur l'extraction supercritique
Résumé
Two problems related to the efficiency of supercritical CO2 extraction were studied in this work. The first objective was to test the ability of the process of Instantaneous Controlled Pressure-Drop (DIC) applied as pretreatment technique to enhance the supercritical extraction by structure modification of extracted material. The second objective was to introduce the method of measurement of residence time distribution characteristics into the laboratory in order to follow the effect of flow direction on axial dispersion in a supercritical extractor. Supercritical CO2 extraction has received particular attention in the field of natural compounds separation, because it possesses several advantages over conventional techniques. However, the larger scale applications of the method are often inhibited by high investment costs. Thus, optimization of process parameters is necessary to reduce total costs of the method. Pretreatment of the material before extraction is one of the most important parameters, having effect on extraction rate and total yield. In this work, the process of Instantaneous Controlled Pressure-Drop (DIC) was tested as a pretreatment method. Amaranth seeds, soybeans and green coffee beans were treated by the DIC process and extracted by supercritical CO2. Material structure was determined using scanning electron microscopy, mercury porosimetry and helium pycnometry. Model of broken and intact cells (BIC) and modified hot ball model were used to evaluate the extraction data. The most important effect of the treatment was observed in the case of soybeans. The porosity of soybeans was considerably increased by the DIC process and the internal mass transfer rate was enhanced six times. Structure of amaranth seeds and green coffee beans was not modified by the DIC process, and the extraction data shows no enhancement. Problem of caffeine extraction related to the presence of water in the coffee beans is discussed. Supercritical fluids are more prone to natural convection because of their very low kinematic viscosity. Subsequently, the natural convection influences the extraction rate and yield. There are several studies concerning axial dispersion in supercritical extractor evaluated by means of tracer response technique. However, they deal with the system SCO2-tracer and do not study the system during the extraction, which is just the case where the density differences may cause natural convection. In this work, a method of residence time distribution was introduced to the laboratory. Benzoic acid was used as tracer. Several solutes were tested; tetracosane was chosen for subcritical conditions (12 MPa, 25°C), trilaurin was applied at supercritical conditions (12 MPa, 40°C). Extraction was carried out under downflow and upflow mode. Preliminary results have shown a strong influence of flow direction during the extraction under supercritical conditions, on the other hand, no effect on the flow pattern was observed at subcritical conditions. Future studies will be oriented to verify the preliminary results of this part of the work.
La thèse présentée concerne l'étude de deux problématiques liées à l'extraction supercritique. Le premier objective a été de tester la capacité du procédé de la Détente Instantanée Contrôlée (DIC), appliquée en tant que technique de prétraitement, à l'efficacité de l'extraction par le CO2 supercritique grâce à la modification de la structure du matériel extrait. Le deuxième objective a été d'élaborer une méthode de mesure de la distribution des temps de séjour afin d'observer l'effet de la direction du flux moyen sur la distribution des temps de séjour dans un extracteur supercritique. L'extraction supercritique attire attention grâce aux avantages qu'elle possède en comparaison avec les méthodes d'extraction conventionnelles. Néanmoins, les applications de la technique à l'industrie sont souvent inhibées par les coûts d'investissement de l'installation de haute pression. Optimisation des paramètres de procédé peut baisser les coûts totaux. Le prétraitement du produit avant l'extraction est un des paramètres les plus importants qui influence la cinétique et le rendement de l'extraction. Dans cette étude, le procédé DIC a été testé en tant que technique de prétraitement. Les grains d'amarante, de soja et de café ont été traités par DIC et extraits par le CO2 supercritique. La structure du matériel a été étudiée par la microscopie électronique à balayage, la porosimétrie à mercure et la pycnométrie à hélium. Les données expérimentales ont été décrites par deux modèles: le modèle BIC basé sur l'extraction des cellules cassées et intactes, et le modèle « hot ball » basé sur la diffusion dans une sphère. L'effet le plus remarquable a été observé pour les grains de soja. Leur porosité a augmenté considérablement après le traitement par DIC et la vitesse de transfert interne de masse a augmenté six fois. La structure des grains d'amarante et de café n'a pas été modifiée par le traitement par DIC, et les résultats de l'extraction ne montrent aucune amélioration. La problématique de l'extraction de la caféine par rapport à la présence de l'eau a été discutée. Grâce à la viscosité cinématique basse, les fluides supercritiques inclinent plus à la convection naturelle, ce qui influence la cinétique et le rendement d'extraction. Plusieurs études sont accessibles concernant la dispersion axiale dans l'extracteur supercritique, évaluée à l'aide des mesures de la réponse à l'injection du traceur dans l'extracteur. Ces travaux étudient le système CO2 pure-traceur, mais ils observent pas la réponse pendant l'extraction proprement dite, ce qui est justement le cas où la convection naturelle peut se développer à cause des différences de densité. Le but de cette étude a été d'élaborer une méthode de mesure de la réponse à l'injection du traceur. L'acide benzoïque a été utilisé comme traceur. Plusieurs solutés ont été testés; le tetracosane a été choisi pour les expériences sous conditions subcritiques (12 MPa, 25ºC), la trilaurine pour les expériences supercritiques (12 MPa, 40ºC). L'extraction a été réalisée avec le solvant passant dans le sens de la pesanteur et aussi dans la direction opposite. Les résultats préliminaires montrent un effet significatif de la direction de flux de solvant sous conditions supercritiques. Par contre, cet effet n'a pas été observé sous conditions subcritiques. Les résultats obtenus doivent être encore vérifiés par une étude suivante.
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