تاریخ شروع : 1403/03/30
مهلت ارسال : 1403/04/30
گرنت صندوق نوآوری و شکوفایی:
حمایت بلاعوض از طرح تا سقف 500 میلیون تومان
حمایت بلاعوض از طرح تا سقف 500 میلیون تومان
مهلت ارسال پروپوزال به اتمام رسیده است
توسعه دانش فنی استخراج و تهیه اسانس نانوامولسیون به روش افت فشار کنترل‌شده سریع (DIS)
خلاصه فناوری
افت فشار کنترل شده سریع یک روش در حال توسعه است که موارد استفاده صنعتى متعددى را شامل می‌شود. این فناورى به اختصار DIC نامیده شده که مخفف کلمه فرانسوىDétente Instantanée Contrôlée مىباشد. افت فشار کنترل شده سریع، یک فرآیند مکانیکى-گرمایى مىباشد که طی این فرآیند، در مرحله اول مواد خام به مدت کوتاهى در معرض بخار اشباع با فشار بالا (تقریبا بین 1 تا 10 بار) قرار میگیرند که بر حسب نوع محصول متفاوت مىباشد. در این فشار، دما به طور معمول بین 100 تا 180 درجه سانتىگراد خواهد بود. در مرحله دوم، یک افت فشار بسیار سریع در مدت زمانی بسیار کوتاه به سمت خلأ حدود 05/0 بار، با سرعتى بیشتر از 5 بار بر ثانیه اعمال مىگردد؛ سپس بخار آب به فشارى مشابه فشار کلى محیط اطراف مىرسد. این فرآیند منجر به تبخیر خودبهخودى شده که در این تبخیر بافت نمونه متورم شده و دیوارههاى سلولى میشکنند. همچنین این فرآیند افت فشار، باعث سرد شدن سریع نمونه شده و از تجزیه گرمایى محصول جلوگیری مىکند. با استفاده از این فناوری میتوان اسانسگیری، عصارهگیری و ایجاد نانوامولسیون را همزمان انجام داد. برای ایجاد نانوامولسیون، مخلوط تحت فشار از طريق يک دريچه محدودکننده عبور داده مي‌شود. فشار برشي بسيار بالا، جريان دوفازی سیال را ایجاد میکند که این خود باعث افزایش سطح تماس بین اسانس و پوششدهنده می‌شود. انتخاب شرايط مانند تعداد سیکل، میزان فشار و میزان خلأ مورد استفاده به خصوصيات ماده (مانند ويسکوزيته، کشش بين سطحي و حساسيت به تنش برشي) و نيز ويژگيهای نانوامولسيون نهايي (مانند غلظت، اندازه قطرات، ويسکوزيته) بستگي دارد.
ضرورت مسئله
رويكرد جهاني به سمت تركيبات طبيعي و استفاده از آن‌ها به جای مواد شيميايي و سنتزی، ضرورت تولید اسانس و عصاره گیاهی و در صورت امکان استفاده از روشهایی برای دستیابی به بازده بالاتر و کیفیت مطلوب را ایجاد میکند. از آنجا كه امروزه كاربرد مواد سنتزی از جمله آنتياكسيدانها در مواد غذايي با نگاه نقادانه همراه است، تلاش برای كاهش استفاده از تركيبات سنتزی و جايگزين کردن آن‌ها با مواد طبيعي در دست انجام ميباشد. بدين منظور انتخاب روش جديد برای استخراج اين تركيبات با هدف حفظ عملكرد و توانايي بالقوه آن‌ها و همچنين بالاترين بازده استخراج، به‌عنوان مهم‌ترين رويكردهای پژوهشگران محسوب مي‌شود. در روشDIC ، نمونه در يک مدت زمان كوتاه حرارت ديده و به سرعت به دمای اوليه باز ميگردد؛ پس تخريب حرارتي صورت نميگيرد و اين موضوع برای تركيبات حساس به حرارت حائز اهميت است. همچنين با توجه به بحران جهانی انرژی و آب، مدت زمان فرآیند در اين روش 80٪ زمان استخراج به روش تقطير آبي است که این کاهش زمان فرآیند، سبب کاهش مصرف انرژی و آب میگردد. استفاده از نانوامولسیون برای ایجاد ویژگیهای مطلوب در اسانسها و عصارهها میتواند به برطرف کردن مشکل عدم محلولیت فازهای روغنی اسانس و دارو در فاز آبی، کاهش دوز مورد استفاده با اثرگذاری بیشتر، رهایش کنترل شده، افزایش مدت زمان اثرگذاری و استفاده از نانوپوششهایی که خود خاصیت آنتیاکسیدانی و مقاومت در برابر حرارت دارند، شود. در آخر باید خاطرنشان کرد که با توجه به حجم گسترده صادرات گیاهان به صورت خام به کشورهای همسایه و اروپایی، ساخت دستگاهی که بتواند با عملکرد مطلوب مواد خام را به فرآورده تبدیل کند بیش از پیش احساس می‌شود.
مسئله اصلی تحقیق
اساس اين روش بر پايه دو مرحله شامل حرارتدهي و به دنبال آن افت فشار ميباشد. در مرحله اول، دمای بالا، فشار بالا و زمان كوتاه اعمال مي‌شود كه مواد خام گياهي در اين مرحله تحت فشار بالا، دمای بالا و زمان كوتاه، حالت منبسط پيدا ميكنند. فشار به طور کلی 1 تا 10 بار و دما نيز در محدوده 180-100 درجه سانتيگراد بر اساس فشار بخار انتخابي است. به دنبال اين مرحله، يک افت فشار سريع تا خلأ حدود 50 میلیبار در محفظه بعدی ايجاد مي‌شود كه اهداف زير را در بر ميگيرد:
الف) تبخير خودبهخودی تركيبات فرار
افت فشار کنترل شده سریع یک روش در حال توسعه است که موارد استفاده صنعتى متعددى را شامل می‌شود. این فناورى به اختصار DIC نامیده شده که مخفف کلمه فرانسوىDétente Instantanée Contrôlée مىباشد. افت فشار کنترل شده سریع، یک فرآیند مکانیکى-گرمایى مىباشد که طی این فرآیند، در مرحله اول مواد خام به مدت کوتاهى در معرض بخار اشباع با فشار بالا (تقریبا بین 1 تا 10 بار) قرار میگیرند که بر حسب نوع محصول متفاوت مىباشد. در این فشار، دما به طور معمول بین 100 تا 180 درجه سانتىگراد خواهد بود. در مرحله دوم، یک افت فشار بسیار سریع در مدت زمانی بسیار کوتاه به سمت خلأ حدود 05/0 بار، با سرعتى بیشتر از 5 بار بر ثانیه اعمال مىگردد؛ سپس بخار آب به فشارى مشابه فشار کلى محیط اطراف مىرسد. این فرآیند منجر به تبخیر خودبهخودى شده که در این تبخیر بافت نمونه متورم شده و دیوارههاى سلولى میشکنند. همچنین این فرآیند افت فشار، باعث سرد شدن سریع نمونه شده و از تجزیه گرمایى محصول جلوگیری مىکند. با استفاده از این فناوری میتوان اسانسگیری، عصارهگیری و ایجاد نانوامولسیون را همزمان انجام داد. برای ایجاد نانوامولسیون، مخلوط تحت فشار از طريق يک دريچه محدودکننده عبور داده مي‌شود. فشار برشي بسيار بالا، جريان دوفازی سیال را ایجاد میکند که این خود باعث افزایش سطح تماس بین اسانس و پوششدهنده می‌شود. انتخاب شرايط مانند تعداد سیکل، میزان فشار و میزان خلأ مورد استفاده به خصوصيات ماده (مانند ويسکوزيته، کشش بين سطحي و حساسيت به تنش برشي) و نيز ويژگيهای نانوامولسيون نهايي (مانند غلظت، اندازه قطرات، ويسکوزيته) بستگي دارد.
ضرورت مسئله
رويكرد جهاني به سمت تركيبات طبيعي و استفاده از آن‌ها به جای مواد شيميايي و سنتزی، ضرورت تولید اسانس و عصاره گیاهی و در صورت امکان استفاده از روشهایی برای دستیابی به بازده بالاتر و کیفیت مطلوب را ایجاد میکند. از آنجا كه امروزه كاربرد مواد سنتزی از جمله آنتياكسيدانها در مواد غذايي با نگاه نقادانه همراه است، تلاش برای كاهش استفاده از تركيبات سنتزی و جايگزين کردن آن‌ها با مواد طبيعي در دست انجام ميباشد. بدين منظور انتخاب روش جديد برای استخراج اين تركيبات با هدف حفظ عملكرد و توانايي بالقوه آن‌ها و همچنين بالاترين بازده استخراج، به‌عنوان مهم‌ترين رويكردهای پژوهشگران محسوب مي‌شود. در روشDIC ، نمونه در يک مدت زمان كوتاه حرارت ديده و به سرعت به دمای اوليه باز ميگردد؛ پس تخريب حرارتي صورت نميگيرد و اين موضوع برای تركيبات حساس به حرارت حائز اهميت است. همچنين با توجه به بحران جهانی انرژی و آب، مدت زمان فرآیند در اين روش 80٪ زمان استخراج به روش تقطير آبي است که این کاهش زمان فرآیند، سبب کاهش مصرف انرژی و آب میگردد. استفاده از نانوامولسیون برای ایجاد ویژگیهای مطلوب در اسانسها و عصارهها میتواند به برطرف کردن مشکل عدم محلولیت فازهای روغنی اسانس و دارو در فاز آبی، کاهش دوز مورد استفاده با اثرگذاری بیشتر، رهایش کنترل شده، افزایش مدت زمان اثرگذاری و استفاده از نانوپوششهایی که خود خاصیت آنتیاکسیدانی و مقاومت در برابر حرارت دارند، شود. در آخر باید خاطرنشان کرد که با توجه به حجم گسترده صادرات گیاهان به صورت خام به کشورهای همسایه و اروپایی، ساخت دستگاهی که بتواند با عملکرد مطلوب مواد خام را به فرآورده تبدیل کند بیش از پیش احساس می‌شود.
مسئله اصلی تحقیق
اساس اين روش بر پايه دو مرحله شامل حرارتدهي و به دنبال آن افت فشار ميباشد. در مرحله اول، دمای بالا، فشار بالا و زمان كوتاه اعمال مي‌شود كه مواد خام گياهي در اين مرحله تحت فشار بالا، دمای بالا و زمان كوتاه، حالت منبسط پيدا ميكنند. فشار به طور کلی 1 تا 10 بار و دما نيز در محدوده 180-100 درجه سانتيگراد بر اساس فشار بخار انتخابي است. به دنبال اين مرحله، يک افت فشار سريع تا خلأ حدود 50 میلیبار در محفظه بعدی ايجاد مي‌شود كه اهداف زير را در بر ميگيرد:
الف) تبخير خودبهخودی تركيبات فرار
ب) كاهش دمای سريع محصول به منظور جلوگيری از تجزيه حرارتي
پ) ايجاد انبساط سلولها و يا حتي شكستن ديواره حفرهها يا غدد تراوشي اسانس
ايجاد اين ساختار متخلخل هم باعث افزايش انتقال جرم و هم باعث افزايش شدت انتشار موثر در داخل سلول و در نتيجه افزايش عملكرد سينتيكي فرآيند مي‌شود. هرچند كه هدف اصلي اثرDIC ، انتقال اسانس از هسته سلولها در فشار بالا به سمت سطح و خارج سلول تحت شرايط خلأ به علت اختلاف فشار كلي ايجاد شده (قانون دارسي) است. اين نكته يكي از مهم‌ترين دلايل تفاوت عملكرد روش معمول تقطير به وسيله بخار با DIC است. در روش معمول تقطير، انتقال حرارت هدايتي را از بخار به سطح سلولها و سپس انتقال حرارت جابجايي را در داخل سلول از سطح به سمت مركز داريم، پس ميتوان گفت در اين روش دما از سطح به سمت مركز كاهش مييابد، در نتيجه فشار بخار اسانس داخل سلول كه تنها به دما وابسته است در سطح بيشترين مقدار و در مركز كمترين مقدار را دارد. با توجه به قانون فيک در انتقال جرم گازی، رفتاری عكس چيزی كه نياز است مشاهده مي‌شود، يعني حركت اسانس تبخير شده از سطح به مركز، چرا كه فشار جزئي آب و ديگر تركيبات فرار داخل سلول گياهي بستگي زيادی به دما در تعادل گاز/مايع مخلوط مولكولهای فرار دارد و با افزايش دمای بيروني توسط اعمال بخار و افزايش فشار، شيب انتقال جرم بخار و تركيبات فرار به سمت فشار كمتر در داخل سلول است. روش جديد استخراج به وسيله DIC با ايجاد فشار بخار در سلول و سپس اعمال خلأ بيروني به طور سريع، برای كاهش فشار بيروني نسبت به درون سلول، اختلاف فشار ايجاد شده و بر اين مشكل غلبه كرده است كه با در نظر گرفتن قانون دارسي شيب حركت دبي جرمي از مركز به سمت خارج را داريم. اثر اصلي ايجاد فشار و اعمال خلأ سريع باعث افزايش حجم بينابيني تركيبات، شكستن ديواره سلولي و در آخر افزايش سطح ويژه مي‌شود كه با پديده افزايش انتقال جرم و افزايش سطح تماس با حلال مي‌شود. همچنین با تنظیم فشار، دما و طراحی مناسب منفذ عبوری ترکیبات بر اثر کاهش فشار میتوان شرایطی مثل هموژنایزر ایجاد کرد. مخلوط تحت فشار خيلي بالا از طريق يک دريچه محدود کننده عبور داده مي‌شود. فشار برشي بسيار بالا، کاويتاسيون و جريان متلاطم موجب ایجاد منطقه دوفازی میگردد.
پ) ايجاد انبساط سلولها و يا حتي شكستن ديواره حفرهها يا غدد تراوشي اسانس
ايجاد اين ساختار متخلخل هم باعث افزايش انتقال جرم و هم باعث افزايش شدت انتشار موثر در داخل سلول و در نتيجه افزايش عملكرد سينتيكي فرآيند مي‌شود. هرچند كه هدف اصلي اثرDIC ، انتقال اسانس از هسته سلولها در فشار بالا به سمت سطح و خارج سلول تحت شرايط خلأ به علت اختلاف فشار كلي ايجاد شده (قانون دارسي) است. اين نكته يكي از مهم‌ترين دلايل تفاوت عملكرد روش معمول تقطير به وسيله بخار با DIC است. در روش معمول تقطير، انتقال حرارت هدايتي را از بخار به سطح سلولها و سپس انتقال حرارت جابجايي را در داخل سلول از سطح به سمت مركز داريم، پس ميتوان گفت در اين روش دما از سطح به سمت مركز كاهش مييابد، در نتيجه فشار بخار اسانس داخل سلول كه تنها به دما وابسته است در سطح بيشترين مقدار و در مركز كمترين مقدار را دارد. با توجه به قانون فيک در انتقال جرم گازی، رفتاری عكس چيزی كه نياز است مشاهده مي‌شود، يعني حركت اسانس تبخير شده از سطح به مركز، چرا كه فشار جزئي آب و ديگر تركيبات فرار داخل سلول گياهي بستگي زيادی به دما در تعادل گاز/مايع مخلوط مولكولهای فرار دارد و با افزايش دمای بيروني توسط اعمال بخار و افزايش فشار، شيب انتقال جرم بخار و تركيبات فرار به سمت فشار كمتر در داخل سلول است. روش جديد استخراج به وسيله DIC با ايجاد فشار بخار در سلول و سپس اعمال خلأ بيروني به طور سريع، برای كاهش فشار بيروني نسبت به درون سلول، اختلاف فشار ايجاد شده و بر اين مشكل غلبه كرده است كه با در نظر گرفتن قانون دارسي شيب حركت دبي جرمي از مركز به سمت خارج را داريم. اثر اصلي ايجاد فشار و اعمال خلأ سريع باعث افزايش حجم بينابيني تركيبات، شكستن ديواره سلولي و در آخر افزايش سطح ويژه مي‌شود كه با پديده افزايش انتقال جرم و افزايش سطح تماس با حلال مي‌شود. همچنین با تنظیم فشار، دما و طراحی مناسب منفذ عبوری ترکیبات بر اثر کاهش فشار میتوان شرایطی مثل هموژنایزر ایجاد کرد. مخلوط تحت فشار خيلي بالا از طريق يک دريچه محدود کننده عبور داده مي‌شود. فشار برشي بسيار بالا، کاويتاسيون و جريان متلاطم موجب ایجاد منطقه دوفازی میگردد.
درباره تیم پژوهشی
| نام و نام‌خانوادگی | رشته/ مقطع تحصیلی | همکار/ مشاور طرح | وضعیت شغلی |
| مهرداد مرادی کاونانی | فوتونیک- دکتری | مجری | عضو هیئت‌علمی دانشگاه کاشان |
| ابوذر نادری دره کنی | نانوفیزیک- ارشد | همکار | دانشجو |
| سید علیرضا موسوی | نانوشیمی- ارشد | همکار | دانشجو |
| سهیلا دهفولی | نانوشیمی- ارشد | همکار | دانشجو |
سوابق عرضه‌کننده فناوری و مسئول اصلی تیم پژوهشی
دکتر مهرداد مرادی کاونانی، دانش‌آموخته مقطع دکتری فوتونیک از دانشگاه شهید بهشتی تهران بوده و به عنوان دانشیار نانوفیزیک در دانشکده علوم و فناوری نانو دانشگاه کاشان مشغول به فعالیت می‌باشند. وی استاد نمونه پژوهشی در سال 1398بوده و در زمینه فعالیت‌های پژوهشی و علمی در دانشگاه مشغول به همکاری با شرکت‌ها هستند. از آنجا که زمینه تحقیقاتی ایشان، نانو می‌باشد؛ عمده تمرکز ایشان تحقیق در زمینه ساخت نانومواد بوده و دارای مقالات زیادی در حوزه نانو هستند.
مزایا
- انجام فرآیند تولید اسانس و عصارهگیری در مدت زمان کوتاهتر
- مصرف آب و انرژی کمتر
- بازده بالاتر (20 درصد بازده بالاتر نسبت به روش‌های مرسوم)
- عدم تخریب حرارتی ترکیبات
- تولید نانوامولسیون با توزیع اندازه یکنواخت و پایدار( رهایش کنترل شده مواد موثره)
کاربرد
- تولید اسانس و عصاره‌گیاهی
- تولید نانوامولسیون
خروجی‌های مورد انتظار تحقیق
- دستگاه استخراج اسانس و عصاره گیاهی به روش سبز ( استفاده از حلال آب) در مدت زمان کوتاه (کاهش 10 برابری زمان استخراج نسبت به روش‌های مرسوم)
هزینه و زمان اجرای طرح
- هزینه اجرای طرح حدود 500 میلیون تومان برآورد می‌شود.
- مدت‌زمان اجرای طرح حدود 12 ماه برآورد می‌شود.
تسهیم مالکیت فکری
- مالکیت معنوی: مشارکت‌کننده در مالکیت معنوی ناشی از اجرای تحقیق سهیم خواهد بود و انتشار مقاله مشترک توسط مجری و مشارکت‌کننده در ژورنال‌های داخلی و خارجی، ارائه مقاله در کنفرانس‌ها و سمینارها با موافقت و اشاره به نام همه دست‌اندرکاران مجاز خواهد بود.
- مالکیت منافع مادی: سهم مشارکت شرکت/شتاب‌دهنده متقاضی حداقل 10 و حداکثر 35 درصد خواهد بود (منافع مالی ناشی از توسعه این فناوری بر اساس توافق طرفین و مشترک خواهد بود و باتوجه‌به سهم آورده نقدی و غیرنقدی توسعه‌دهنده، سهم مالکیت قابل‌مذاکره و توافق است).
ارتباط با ما
شماره تماس:
021-88486498
اینستاگرام:
iran.challenges@
شماره تماس:
021-88486498
اینستاگرام:
iran.challenges@