Bio verbessern

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 4606 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Energieknappheit und konventionelle Energieprobleme sind die Hauptgründe für die Suche nach einer kostengünstigen und umweltfreundlichen erneuerbaren Energiequelle. Daher ist die Biodieselproduktion eine der vielversprechendsten Lösungen für dieses Problem. Außerdem ist die Ägyptische Rizinuspflanze im Vergleich zu anderen häufig verwendeten Ölpflanzen eine der wichtigsten Pflanzen für die Ölproduktion. Das Hauptziel dieser Studie besteht darin, die Produktion von Bioöl aus ägyptischen Rizinussamen durch den Einsatz von Mikrowellen und Ultraschall als Vorbehandlungen zu steigern. Um dies zu erreichen, wurden die Auswirkungen der Extraktionsschneckengeschwindigkeit (20, 40 und 60 U/min) und der Temperatur (100, 150, 200 und 250 °C) auf die Ölextraktionsausbeute und -qualität, den Extraktionsenergiebedarf und die Extraktionszeit untersucht. Auch die Auswirkung der Vorbehandlungsbedingungen der Mikrowelle bei drei Leistungsstufen (Niedrig, Mittel und Hoch) und unterschiedlichen Zeiten (1, 2 und 3 Minuten) und der Vorbehandlungsbedingungen Ultraschall mit unterschiedlichen Temperaturen (40, 60 und 80 °C) sind unterschiedlich Zeiten (15, 30 und 45 Minuten) für Rizinussamen vor der Extraktion mit dem optimalen Zustand der Schneckenpresse auf Ölextraktionsertrag aus Rizinussamen, Extraktionsenergie, Extraktionszeit und Qualität des extrahierten Öls. Die Ergebnisse zeigen, dass die optimalen Bedingungen für die Ölextraktion mittels Schneckenpresse eine Extraktionstemperatur von 200 °C und eine Schneckengeschwindigkeit von 60 U/min waren. Es konnte festgestellt werden, dass die Extraktionsölausbeute, der Extraktionsenergiebedarf und die Extraktionszeit 35,59 %, 18,68 bzw. 1,86 Minuten betrugen. Mikrowellen-Vorbehandlungen hatten im Vergleich zu Ultraschall-Vorbehandlungen eine bessere Ölausbeute und für die Extraktion erforderliche Energie, wobei Mikrowellen-Vorbehandlungen im Vergleich zu Ultraschall-Vorbehandlungen eine hohe Ölausbeute und einen geringeren Energiebedarf aufwiesen. Die Ölausbeute lag zwischen 32,67 und 37,41 %, verglichen mit 13,29 bis 39,83 % in der Literatur. Die für die Extraktion erforderliche Zeit lag zwischen 1,77 und 2,00 bzw. 1,79 und 2,21 Minuten für Mikrowellen- bzw. Ultraschall-Vorbehandlungen. Die Vorbehandlung verbesserte die Eigenschaften des extrahierten Öls.

Industrien verbrauchen weniger Energie als Gebäude. Der Transport steht nach Gebäuden und Transport auf der dritten Ebene des Energieverbrauchs. Land-, Fischerei- und Forstwirtschaft verursachen einen geringen Energieverbrauch. Der Energieverbrauch stieg bei all diesen Aktivitäten im Jahr 2019 auf 9,1 Giga-Tonnen1.

Der Kraftstoffverbrauch für den Transport stieg in den verlorenen Jahrzehnten aufgrund des Bevölkerungswachstums, der Urbanisierung und der globalen Mobilität um das Doppelte. Dieser Sektor verbrauchte etwa 28 % des gesamten Energiebedarfs. Personen- und Güterbewegungen verbrauchten etwa 70 % des gesamten Energieverbrauchs im Transportwesen. Da etwa 95 % der für den Transport verwendeten Energie auf ölbasierte Kraftstoffe entfallen, werden die Umwelt und die Energiesicherheit stark beeinträchtigt 2.

Energieknappheit ist ein sehr ernstes Problem. Ägyptens Energiebilanz im Jahr 2022 zeigt, dass der Industriesektor den größten Teil des Endenergieverbrauchs verbraucht (34,2 %), gefolgt vom Transport (24,2 %), Wohngebäuden (18,8 %) sowie Landwirtschaft und Bergbau (4,7 %), die 81,9 % ausmachen der Gesamtverbrauch3. Heutzutage ist die Kraftstoffpreiskrise mit dem Bewusstseinsproblem der wirksamste Faktor für die Struktur des Energieverbrauchs auf der ganzen Welt. Die Forscher haben größere Anstrengungen unternommen, um eine erneuerbare Energie zu entwickeln. Erneuerbare Energien sind nicht nur für Ägypten, sondern für die ganze Welt der Schlüsselfaktor für die Zukunft4. Daher reduziert die Verwendung von Biodiesel als alternative Energiequelle Schadstoffe und potenzielle Karzinogene. Aufgrund des bei der Photoerzeugung verwendeten organischen Kohlenstoffs sind die Emissionen gering. Außerdem erhöht es nicht den Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre5,6.

Pflanzen wie Soja-, Mais-, Palm- und Rizinusöl werden zur Herstellung von Biodiesel durch Reaktion mit katalysierten Alkoholen verwendet. Diese Öle können essbare oder nicht essbare Öle sein. Die Verwendung nicht essbarer Öle in Biodiesel hilft besser bei Problemen mit Nahrungsmitteldefiziten. Die Preise für Biodiesel richten sich nach den Kosten für Rohöl (75 %). Durch die Verwendung preisgünstiger Rohstoffe sinkt der Preis für Biodiesel. In Ägypten ist der Preis für Rizinusöl günstiger als für Jatrophaöl7. Der Unterschied im Ölpreis, der aus Rizinus gewonnen wird, ist geringer (um 15 %) als der von Jatropha in Ägypten.

Rizinuspflanze (Ricinus communis) ist ein mehrjähriger Strauch, der bis zu 3–5 m lang werden kann und in allen tropischen und subtropischen Gebieten der Erde vorkommt. Indien liegt weltweit an erster Stelle mit einer durchschnittlichen Produktion von rund 106 t Rizinussamen und 3,5–5,0 × 105 t Rizinusöl8,9. Rizinus ist eine sehr wichtige Kulturpflanze und seine Samen werden zur Ölproduktion als Quelle für Biodiesel verwendet. Es wird auf Randgebieten mit geringem Wasserbedarf angebaut. Es ist schädlingsresistent und dürretolerant. Rizinussamen enthalten 40–55 % Öl, was im Vergleich zu anderen häufig verwendeten Nutzpflanzen wie Sojabohnen (15–20 %), Sonnenblumen (25–35 %), Raps (38–46 %) und Palmen (30–60 %) sehr hoch ist %). Es zeichnet sich durch seinen hohen Ricinolsäuregehalt aus, der eher für industrielle als für Lebensmittelanwendungen geeignet ist. Rizinus gilt als nachhaltige Biodieselquelle, da die Produktionskosten für Rizinussamen geringer sind als die von Jatropha, Sojabohnen und Raps 5,7,10.

Öl wird durch verschiedene Methoden wie mechanische, chemische und enzymatische Methoden gewonnen. Die Verwendung organischer Lösungsmittel bei der Biodieselextraktion gilt als die beste Methode, belastet jedoch die Umwelt, da während des Prozesses flüchtige organische Verbindungen freigesetzt werden. Aus praktischer Sicht ist die mechanische Extraktion die beste Methode, da sie sicher, stichprobenartig und kostengünstiger ist6. Durch die Verwendung motorbetriebener Schraubenkolben kann mehr Öl gefördert werden (68–80 %), verglichen mit 60–65 % bei Verwendung motorbetriebener Rohkolben. Durch die Vorbehandlung von Feldfrüchten, beispielsweise durch Braten, konnte die Ölausbeute nach dem Doppeldurchgang auf 89 bis 91 % gesteigert werden6,11.

Mikrowellen-Vorbehandlungen der Ölextraktion verbessern die Ölausbeute und -qualität bei geringerem Energieverbrauch, kürzerer Zeit und geringerem Lösungsmittelgehalt im Vergleich zu herkömmlichen Methoden12. Mikrowellenvorbehandlungsöl hat ähnliche Eigenschaften wie konventionell gewonnenes Öl, wie Säurewert, Peroxidwert und Ölzusammensetzung13. Mikrowellenstrahlung verursacht Anteile, die zu einer Erwärmung führen. Fette haben eine geringe spezifische Wärme, wodurch sie anfällig für diese Strahlung sind und dauerhafte Poren in den Samen bilden, was zu höheren Erträgen und einer verbesserten Qualität führt. Mikrowellenvorbehandlungen als Alternative zur herkömmlichen Methode mit schnellerer Verarbeitung, geringerem Energieverbrauch und kürzerer Einwirkzeit14.

Die Anwendung einer Ultraschallvorbehandlung bei der Ölextraktion könnte die Effizienz der Ölextraktion, die Qualität des extrahierten Öls und den Gehalt an extrahierten Phenolverbindungen verbessern15. Die Verwendung traditioneller Methoden der Ölgewinnung führt zu einer geringen Ölausbeute, einer geringen Extraktionseffizienz, einem hohen Energieverbrauch und einer schlechten Qualität des extrahierten Öls. Daher ist die Verwendung von Vorbehandlungen von Saatgut der Hauptgedanke dieser Arbeit, um den Energieverbrauch zu verbessern und schließlich die Ölgewinnung zu verbessern Ölqualität. Mikrowellen- und Ultraschall-Vorbehandlungen sind die am häufigsten verwendeten Vorbehandlungen bei der Ölgewinnung aus Samen.

Das Hauptexperiment wurde im Nationalen Forschungszentrum in Gizeh, Ägypten, durchgeführt. Während der Sommersaison 2021.

Ägyptische Rizinussamen wurden von einer Ligusterfarm im Gouvernement Sinai gewonnen. Rizinussamen wurden mit Genehmigung der Vorschriften der Benha-Universität verwendet. Pflanzenmaterialien entsprechen den örtlichen und nationalen Vorschriften. Es wurde eine Lipidanalyse durchgeführt, die den Ölanteil in den Samen zeigte. Das Bioöl wurde aus den ägyptischen Rizinussamen durch eine Schneckenpresse ohne Vorbehandlungen gewonnen und die Vorbehandlungen wurden mithilfe von Mikrowellen- und Ultraschall-Vorbehandlungen durchgeführt, um die Produktion von Bioöl aus Rizinussamen zu steigern. Das schematische Diagramm in Abb. 1 zeigt den Ablauf der Ölgewinnung mittels Schneckenpresse aus Rizinussamen.

Schematische Darstellung der Ölgewinnung mittels Schneckenpresse aus ägyptischen Rizinussamen.

Die Ölgewinnung wurde mit einer speziell entwickelten mechanischen Schneckenpresse im Labormaßstab im Nationalen Forschungszentrum durchgeführt, deren Spezifikationen in den einzelnen Teilen aufgeführt sind16. Ein Foto der Schneckenpresse und ihrer Komponenten ist in Abb. 2 dargestellt.

Foto der Schneckenpresse.

Die Schneckenpresse wurde bei der Ölgewinnung eingesetzt, da Studien ihren Erfolg und ihre Effizienz bei der Gewinnung bewiesen haben. Rizinussamen wurden bei Temperaturen von 50 bis 100 °C und einer Geschwindigkeit von 40, 80 und 120 U/min gepresst, wobei die Temperaturen erhöht und die Parameter und Bedingungen so gewählt wurden, dass sie der Natur und den Eigenschaften der Rizinussamen entsprechen. Daher wurden die Experimente in faktorieller Anordnung mit drei Geschwindigkeiten von 40, 60 und 80 U/min bei Extraktionstemperaturen von 100, 150, 200 und 250 °C durchgeführt, wobei drei Wiederholungen für ein Experiment angefertigt wurden. Die Ölausbeute und der Kuchen wogen. Der Stromverbrauch und der Energieverbrauch wurden für jede Behandlung mit einem Energiemessgerät gemessen und die zum Pressen erforderliche Zeit für jede Behandlung wurde ebenfalls aufgezeichnet.

Es wurde eine Mikrowelle mit einer Leistung von 700 W und einem Fassungsvermögen von 20 l verwendet, wie in Abb. 3 gezeigt. Das CARIA ist Eigentum der Benha-Universität und diese Arbeit wird nach den Regeln dieser Universität durchgeführt. Die Behandlungen wurden nach14 ausgewählt. Die Rizinussamen wurden in der Mikrowelle erhitzt und die Proben wurden vor und nach dem Erhitzen gewogen, um den Feuchtigkeitsverlust zu messen. Die Proben wurden in der Mikrowelle 1, 2 und 3 Minuten lang bei drei Leistungsstufen niedrig, mittel und hoch erhitzt und dann wurden die Proben unmittelbar nach dem Erhitzen in der Mikrowelle bei den optimalen Parametern, die in der Schneckenpresse ermittelt wurden, in der Schneckenpresse gepresst . Die zum Erhitzen in der Mikrowelle erforderliche Energie und die Leistung für jede Probe wurden mit einem Energiemessgerät gemessen und anschließend wurden sowohl das Öl als auch der Kuchen gewogen.

Mikrowellengerät.

Das Ultraschallgerät (Modell: UD50Sh-2.5LQ, Ultraschallleistung: 50 W, Gesamtleistungsaufnahme: 160 W und Stromversorgung: 220 VAC, 50 Hz) wurde wie in Abb. 4 gezeigt verwendet. Das Eumax ist Eigentum der Benha University und diese Arbeit erfolgt nach den Regeln dieser Universität. Es wurden drei verschiedene Belichtungszeiten (15, 30 und 45 Minuten) und Temperaturen (40, 60 und 80 °C) verwendet. Die Proben wurden vor und nach dem Erhitzen gewogen, um den Feuchtigkeitsverlust zu messen. Anschließend wurden die Proben mit den in der Schneckenpresse ermittelten optimalen Parametern in die Schneckenpresse überführt. Für das Experiment wurden drei Wiederholungen angefertigt. Der Energieverbrauch für die Erhitzung im Ultraschall und die Leistung für jede Probe wurden gemessen und anschließend sowohl das Öl als auch der Kuchen gewogen.

Ultraschallreiniger.

Der Gaschromatographietest (GC) ist eine Technik zur Messung der Fettsäurezusammensetzung in einer Ölprobe, die die Trennung von Gemischen anhand ihres Siedepunkts ermöglicht17. Die Fettsäurezusammensetzung wurde durch Transmethylierung der Fettketten zu Fettsäuremethylestern (FAMEs) nach der modifizierten Methode von18 bestimmt. Die Ölproben von 0,2 g wurden mit 6 ml methanolischer Natriumhydroxidlösung gemischt. Die Mischung wird 10 Minuten lang unter Rückfluss erhitzt, dann werden HCl (30 ml) und 20 ml Methanol zugegeben und weitere 10 Minuten lang unter Rückfluss erhitzt, dann werden 10 ml Hexan zugegeben, weitere 2 Minuten lang unter Rückfluss erhitzt und dann abkühlen gelassen. Zum Schluss wird destilliertes Wasser (10 ml) hinzugefügt und in den Trenntunnel gegossen. Die obere Schicht wird gesammelt und mit Calciumchlorid getrocknet. Die FAMEs wurden mit einer HP 6890 plus Gaschromatographie (Hewlett Packard, USA) unter Verwendung einer Kapillarsäule Supelco™ SP-2380 (60 m × 0,25 mm × 0,20 μm), (Sigma-Aldrich, USA), Detektor (FID) getrennt. und die Injektor- und Detektortemperatur betrug 250 °C. Die Säulentemperatur betrug 140 °C (5 Minuten lang gehalten) und stieg mit einer Geschwindigkeit von 4 °C/Minute auf 240 °C und wurde 10 Minuten lang bei 240 °C gehalten. Das Trägergas war Helium mit einer Durchflussrate von 1,2 ml/min. Das Probenvolumen betrug 1 µL (in n-Hexan) und wurde durch einen geteilten Injektor im Teilungsverhältnis 100:20 injiziert. FAMEs wurden durch Vergleich ihrer relativen und absoluten Retentionszeiten mit den authentischen FAME-Standards (Supelco™ 37-Komponenten-FAME-Mischung) identifiziert. Die Fettsäurezusammensetzung wurde als relativer Prozentsatz der gesamten Peakfläche angegeben18.

Verseifungszahl, Säurezahl und Molekulargewicht des Öls wurden gemäß19 bestimmt. Der Säurewert des Öls wurde durch Titrieren einer Öllösung in Diethylether mit einer alkoholischen Lösung von Natrium- oder Kaliumhydroxid bestimmt. Je 1 g Öl wird durch die Menge an KOH ausgedrückt, die zur Neutralisierung des Öls verwendet wird.

Abbildung 5 zeigt die Auswirkung der Extraktionsschneckengeschwindigkeit (20, 40 und 60 U/min) und der Temperatur (100, 150, 200 und 250 °C) auf die Ölausbeute aus Rizinussamen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ölausbeute mit zunehmender Schneckendrehzahl und sinkender Temperatur abnimmt. Es war zu erkennen, dass die Ölausbeute von 37,66 auf 30,13 (um 19,99 %), 38,13 auf 31,88 (um 16,39 %), 39,24 auf 35,59 (um 9,30 %) und 40,85 auf 30,37 (um 25,65 %) % sank, wenn die Schneckendrehzahl erhöht wurde von 20 auf 60 U/min erhöht, jeweils für 100, 150, 200 und 250 °C. Die Ergebnisse zeigen auch, dass der höchste Wert der Verringerung der Ölextraktionsausbeute (25,65 %) bei einer Extraktionstemperatur von 250 °C festgestellt wurde. Dies könnte daran liegen, dass bei höherer Temperatur das Öl leichter aus der Zelle austritt17.

Einfluss der Geschwindigkeit und Temperatur der Extraktionsschnecke auf die Ölextraktionsausbeute.

Außerdem führt die hohe Temperatur dazu, dass das Öl aus der Zelle verdampft, was zu einer Verringerung der Ölausbeute führt. Diese Ergebnisse stimmten mit denen von16 überein, bei denen der niedrigste Wert der Ölausbeute und der höchste Wert der Extraktionstemperatur ermittelt wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die maximale Ölproduktion durch die Schneckenpresse etwa 40,84 % beträgt, was einem Massenanteil von 83,41 % Öl in den Samen entspricht, im Vergleich dazu beträgt der Ölanteil in den Samen 48,96 % bei einer Motordrehzahl von 20 U/min und einer Vorwärmtemperatur von 250 °C. Diese Ergebnisse stimmten mit denen von1 überein. Unter diesen Extraktionsbedingungen wird jedoch viel Zeit mit höherer Energie verbraucht. Die maximale Ölausbeute (40,85 %) wurde bei Temperaturen im Bereich von 250 °C und einer Drehzahl von 20 U/min erzielt.

Abbildung 6 zeigt die Auswirkung der Extraktionsschneckengeschwindigkeit (20, 40 und 60 U/min) und der Temperatur (100, 150, 200 und 250 °C) auf den Energieverbrauch der Ölextraktion aus Rizinussamen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Extraktionsenergieverbrauch mit zunehmender Schneckengeschwindigkeit und sinkender Temperatur sinkt. Es zeigte sich, dass der Extraktionsenergieverbrauch bei der Schnecke von 38,67 auf 14,00 (um 63,80 %), 42,00 auf 17,00 (um 59,52 %), 50,33 auf 18,67 (um 62,90 %) und 66,00 auf 35,00 (um 46,97 %) Wh sank Die Drehzahl wurde von 20 auf 60 U/min für 100, 150, 200 bzw. 250 °C erhöht. Die Ergebnisse zeigen auch, dass der höchste Wert des Extraktionsenergieverbrauchs (66,00 Wh) bei einer Extraktionstemperatur von 250 °C und einer Schneckengeschwindigkeit von 20 U/min ermittelt wurde, während der niedrigste Wert des Extraktionsenergieverbrauchs (14,00 Wh) bei einer Extraktion bei 100 °C ermittelt wurde Temperatur und 60 U/min Schneckengeschwindigkeit. Diese Ergebnisse stimmten mit denen von20 überein.

Einfluss der Geschwindigkeit und Temperatur der Extraktionsschnecke auf die Extraktionsenergie.

Abbildung 7 zeigt die Auswirkung der Extraktionsschneckengeschwindigkeit (20, 40 und 60 U/min) und der Temperatur (100, 150, 200 und 250 °C) auf die Ölextraktionszeit aus Rizinussamen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Extraktionszeit mit zunehmender Schneckengeschwindigkeit und sinkender Temperatur abnimmt. Es konnte festgestellt werden, dass die Extraktionszeit von 5,00 auf 1,59 (um 68,20 %), 5,25 auf 1,70 (um 67,62 %), 5,76 auf 1,86 (um 67,71 %) und 6,45 auf 2,68 (um 58,45 %) min sank, wenn die Schneckendrehzahl erhöht wurde von 20 auf 60 U/min für 100, 150, 200 bzw. 250 °C erhöht. Die Ergebnisse zeigen auch, dass der höchste Wert der Extraktionszeit (6,45 Minuten) bei einer Extraktionstemperatur von 250 °C und einer Schneckengeschwindigkeit von 20 U/min gefunden wurde, während der niedrigste Wert der Extraktionszeit (1,59 Minuten) bei einer Extraktionstemperatur von 100 °C gefunden wurde 60 U/min Schneckengeschwindigkeit. Diese Ergebnisse stimmten mit denen von21 überein.

Einfluss der Geschwindigkeit und Temperatur der Extraktionsschnecke auf die Extraktionszeit.

Die Ergebnisse zeigen, dass die optimalen Bedingungen der Schneckenpresse für extrahierte Rizinussamen eine Extraktionstemperatur von 200 °C und eine Schneckengeschwindigkeit von 60 U/min waren. Es konnte festgestellt werden, dass die Extraktionsölausbeute, die Extraktionsenergie und die Extraktionszeit 35,59 %, 18,68 bzw. 1,86 Minuten betrugen.

Abbildung 8a zeigt die Auswirkung der Mikrowellenleistung (niedrig, mittel und hoch) und der Betriebszeit (1, 2 und 3 Minuten) auf die Ölextraktionsausbeute aus Rizinussamen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ölextraktionsausbeute mit zunehmender Betriebszeit bei niedrigen und mittleren Mikrowellenleistungsniveaus zunimmt und mit zunehmender Betriebszeit bei hohen Mikrowellenleistungsniveaus abnimmt. Es konnte festgestellt werden, dass die Ölextraktionsausbeute von 30,24 auf 35,43 und von 35,54 auf 39,36 % zunahm, wenn die Betriebszeit von 1 auf 3 Minuten für niedrige bzw. mittlere Mikrowellenleistungsstufen erhöht wurde. Mittlerweile sank sie von 38,05 auf 36,06 %, wenn die Betriebszeit bei hoher Mikrowellenleistung von 1 auf 3 Minuten erhöht wurde. Dies liegt daran, dass die hohe Mikrowellenleistung dazu führt, dass Ölfeuchtigkeit aus der Zelle verdunstet, was zu einer Verringerung der Ölausbeute führt. Die Ergebnisse zeigen auch, dass der höchste Wert der Ölextraktionsausbeute (39,36 %) bei einer Betriebszeit von 3 Minuten und einem mittleren Mikrowellenleistungsniveau im Vergleich zur Nichtbehandlung gefunden wurde. Die Ölextraktionsausbeute betrug 35,59 % unter den gleichen Bedingungen (200 °C Extraktionstemperatur). und 60 U/min Schneckengeschwindigkeit).

(a) Einfluss der Mikrowellenbedingungen auf die Ölextraktionsausbeute. (b) Einfluss der Ultraschallbedingungen auf die Ölextraktionsausbeute.

Abbildung 8b zeigt die Auswirkung der Ultraschalltemperatur (40, 60 und 80 °C) und der Betriebszeit (15, 30 und 45 Minuten) auf den Ölextraktionsertrag aus Rizinussamen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ölextraktionsertragswerte 36,26, 35,54 und 34,95, 36,46, 35,71 und 36,93 und 37,03, 36,50 und 37,71 % bei 15, 30 und 45 Minuten Betriebszeit für Ultraschalltemperaturen von 40, 60 und 80 °C betrugen. Die Ergebnisse zeigen auch, dass der höchste Wert der Ölextraktionsausbeute (37,03 %) bei einer Betriebszeit von 15 Minuten und einer Ultraschalltemperatur von 80 °C im Vergleich zur Nichtbehandlung gefunden wurde.

Die Ergebnisse zeigen auch, dass die Ölextraktionsausbeute aus Rizinussamen durch Mikrowellenvorbehandlung höher war als die der Ultraschallvorbehandlung bei mittleren und hohen Leistungsstufen und mittleren und hohen Temperaturen, während die Ölextraktionsausbeute aus Rizinussamen durch Mikrowellenvorbehandlung niedriger war diejenigen der Ultraschallvorbehandlung für niedrige Leistungen und niedrige Temperaturen. Es war ersichtlich, dass die Ölextraktionsausbeute bei niedrigen, mittleren und hohen Mikrowellenleistungsniveaus 32,67, 37,59 und 37,41 % betrug, bei 40, 60 und 80 °C Ultraschalltemperatur jedoch 35,59, 36,37 und 37,08 % . Außerdem war die Ölextraktionsausbeute aus Rizinussamen durch Mikrowellenvorbehandlung höher als die der Ultraschallvorbehandlung bei mittlerer und hoher Betriebszeit, während die Ölextraktionsausbeute für extrahierte Rizinussamen aus Rizinussamen durch Mikrowellenvorbehandlung niedriger war als die der Ultraschallvorbehandlung für geringe Betriebszeit. Es konnte festgestellt werden, dass die Ölextraktionsertragswerte bei 1, 2 bzw. 3 Minuten Mikrowellenbetriebszeit 34,61, 36,10 und 36,95 % betrugen, bei 15, 30 und 45 Minuten Ultraschallbetriebszeit jedoch 36,59, 35,92 und 36,53 %. jeweils. Im Allgemeinen lag der Ölertrag aus Rizinussamen zwischen 32,67 und 37,41 %, verglichen mit 13,29 bis 39,83 % in der Literatur22.

Abbildung 9a zeigt die Auswirkung der Mikrowellenleistung (niedrig, mittel und hoch) und der Betriebszeit (1, 2 und 3 Minuten) auf den Energieverbrauch der Extraktion aus Rizinussamen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Extraktionsenergieverbrauch mit zunehmender Mikrowellenleistung und Betriebszeit abnimmt. Es konnte festgestellt werden, dass der Extraktionsenergieverbrauch von 21,0 auf 19,0, von 20,0 auf 18,0 und von 19,0 auf 16,5 Wh sank, wenn die Betriebszeit von 1 auf 3 Minuten für niedrige, mittlere und hohe Mikrowellenleistungsstufen erhöht wurde. Andererseits steigt der Energieverbrauch der Mikrowelle mit zunehmender Mikrowellenleistung und Betriebsdauer. Es konnte festgestellt werden, dass der Energieverbrauch der Mikrowelle von 4,33 auf 10,67, von 14,00 auf 40,00 und von 17,67 auf 51,67 Wh anstieg, wenn die Betriebszeit von 1 auf 3 Minuten für niedrige, mittlere und hohe Mikrowellenleistungsstufen erhöht wurde. Die Ergebnisse zeigen auch, dass der höchste Wert der Extraktionsenergie (21,0 Wh) bei einer Betriebszeit von 1 Minute und einem niedrigen Mikrowellenleistungsniveau gefunden wurde. Der niedrigste Wert der Extraktionsenergie (16,5 Wh) wurde bei einer Betriebszeit von 3 Minuten und einem hohen Mikrowellenleistungsniveau gefunden.

(a) Einfluss der Mikrowellenbedingungen auf die Ölextraktionsenergie. (b) Einfluss der Ultraschallbedingungen auf die Extraktionsenergie.

Abbildung 9b zeigt die Auswirkung der Ultraschalltemperaturen (40, 60 und 80 °C) und der Betriebszeit (15, 30 und 45 Minuten) auf den Extraktionsenergieverbrauch aus Rizinussamen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Extraktionsenergieverbrauch mit zunehmender Ultraschalltemperatur und Betriebszeit steigt. Es konnte festgestellt werden, dass der Extraktionsenergieverbrauch von 18,0 auf 20,0, 19,0 auf 21,0 und 20,0 auf 22,0 Wh stieg, wenn die Betriebszeit von 15 auf 45 Minuten bzw. für 40, 60 und 80 °C Ultraschalltemperatur erhöht wurde. Allerdings steigt der Energieverbrauch von Ultraschall mit zunehmender Ultraschalltemperatur und Betriebsdauer. Es konnte festgestellt werden, dass der Energieverbrauch durch Ultraschall von 11,00 auf 34,95, von 12,40 auf 36,33 und von 16,33 auf 38,00 Wh stieg, wenn die Betriebszeit von 15 auf 45 Minuten bzw. für 40, 60 und 80 °C Ultraschalltemperatur erhöht wurde. Die Ergebnisse zeigen auch, dass der höchste Wert des Extraktionsenergieverbrauchs (38,0 Wh) bei einer Betriebszeit von 45 Minuten und einer Ultraschalltemperatur von 80 °C ermittelt wurde. Der niedrigste Wert des Extraktionsenergieverbrauchs (18,0 Wh) wurde bei einer Betriebszeit von 15 Minuten und einer Ultraschalltemperatur von 40 °C ermittelt.

Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass der Energieverbrauch bei der Extraktion von Rizinussamen durch die Mikrowellen-Vorbehandlung geringer war als bei der Ultraschall-Vorbehandlung. Es konnte festgestellt werden, dass der Extraktionsenergieverbrauch aus Rizinussamen bei niedrigen, mittleren und hohen Mikrowellenleistungsstufen jeweils 20,0, 19,0 und 17,5 Wh betrug, bei 40, 60 und 80 °C Ultraschall jedoch 19,17, 20,17 und 21,00 Wh Temperatur bzw. Außerdem war der Energieverbrauch der Extraktionsenergie aus Rizinussamen durch Mikrowellenvorbehandlung bei mittlerer und hoher Betriebszeit höher als bei der Ultraschallvorbehandlung, während die Extraktionsenergie bei Verwendung der Mikrowellenvorbehandlung niedriger war als bei der Ultraschallvorbehandlung bei niedriger Betriebszeit. Es war ersichtlich, dass der Extraktionsenergieverbrauch 20,0, 19,0 und 17,33 Wh für 1, 2 bzw. 3 Minuten Mikrowellenbetriebszeit betrug, bei 15, 30 und 45 Minuten Ultraschallbetriebszeit jedoch 19,0, 20,3 und 21,0 Wh , jeweils.

Abbildung 10a zeigt die Auswirkung der Mikrowellenleistung (niedrig, mittel und hoch) und der Betriebszeit (1, 2 und 3 Minuten) auf die Extraktionszeit aus Rizinussamen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Extraktionszeit mit zunehmender Mikrowellenleistung und Betriebszeit abnimmt. Es konnte festgestellt werden, dass die Extraktionszeit von 2,00 auf 1,88, von 1,95 auf 18,82 und von 1,92 auf 1,77 Minuten abnahm, wenn die Betriebszeit von 1 auf 3 Minuten für niedrige, mittlere und hohe Mikrowellenleistungsstufen anstieg. Die Ergebnisse zeigen auch, dass der höchste Wert der Extraktionszeit (2,0 Minuten) bei einer Betriebszeit von 1 Minute und einem niedrigen Mikrowellenleistungsniveau gefunden wurde. Der niedrigste Wert der Extraktionszeit (1,77 Minuten) wurde bei einer Betriebszeit von 3 Minuten und einem hohen Mikrowellenleistungsniveau gefunden.

(a) Einfluss der Mikrowellenbedingungen auf die Ölextraktionszeit. (b) Einfluss der Ultraschallbedingungen auf die Ölextraktionszeit.

Abbildung 10b zeigt den Einfluss von Ultraschalltemperaturen (40, 60 und 80 °C) und Betriebszeit (15, 30 und 45 Minuten) auf die Extraktionszeit aus Rizinussamen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Extraktionszeit mit zunehmender Ultraschalltemperatur und Betriebszeit zunimmt. Es konnte festgestellt werden, dass sich die Extraktionszeit von 1,79 auf 1,93, von 1,92 auf 2,11 und von 2,00 auf 2,21 Minuten erhöhte, wenn die Betriebszeit von 15 auf 45 Minuten bei 40, 60 und 80 °C Ultraschalltemperatur anstieg. Die Ergebnisse zeigen auch, dass der höchste Wert der Extraktionszeit (2,21 Minuten) bei einer Betriebszeit von 45 Minuten und einer Ultraschalltemperatur von 80 °C gefunden wurde. Der niedrigste Wert der Extraktionszeit (1,79 min) wurde bei einer Betriebszeit von 15 min und einer Ultraschalltemperatur von 40 °C ermittelt.

Tabelle 1 zeigt die Auswirkung der Vorbehandlung (Mikrowelle und Ultraschall) von Rizinussamen auf die gaschromatographische Analyse im Vergleich zu ohne Vorbehandlung unter den gleichen Bedingungen (200 °C Extraktionstemperatur und 60 U/min Schneckengeschwindigkeit). Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Einsatz von Mikrowellen zur Vorbehandlung von Rizinussamen die Ölertragseigenschaften stärker verbesserte als die Ultraschallvorbehandlung von Rizinussamen und ohne Vorbehandlung. Andererseits verbesserte die Verwendung von Ultraschall zur Vorbehandlung von Rizinussamen die Qualität der Öleigenschaften stärker als die Mikrowellenvorbehandlung für Rizinussamen und ohne Vorbehandlung. Es konnte gesehen werden, dass die Palmitinsäure, Stearinsäure, Ölsäure, Linolensäure und α-Linolensäure 1,26, 1,76 und 0,77, 1,35, 2,61 und 1,09, 4,47, 5,12 und 3,43, 5,41, 6,53 und 4,17 und 0,62, 0,54 und lagen 0,49 % für Nichtbehandlung, Mikrowellenvorbehandlung bzw. Ultraschallvorbehandlung. Diese Ergebnisse stimmten mit denen von23,24 überein, die feststellten, dass Rizinusöl in geringer Menge vorhanden ist, darunter Stearinsäure (1 %), Linolsäure (4,2 %), Linolensäure (0,3 %), Dihydroxystearinsäure (0,7 %). Ölsäure (3,0 %), Palmitinsäure (1 %) und Eicosansäure (0,3 %)17.

Die Ergebnisse zeigen auch, dass der Ricinolsäuregehalt bei Nichtbehandlung, Mikrowellenvorbehandlung bzw. Ultraschallvorbehandlung 86,99, 83,44 bzw. 90,05 % betrug. Diese Ergebnisse stimmten mit denen von6 überein, die erwähnten, dass die Ricinolsäure ein Hauptbestandteil des Rizinussamenöls ist, wobei etwa 90 % des Fettsäuregehalts im Rizinusöl aus dem aus Ricinolsäure gebildeten Triglycerid besteht. Es handelt sich um eine ungesättigte Omega-9-Fettsäure und eine Hydroxysäure.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Säurewerte bei Nichtbehandlung, Mikrowellenvorbehandlung bzw. Ultraschallvorbehandlung 1,56, 2,11 und 1,13 % betrugen. Der Säurewert ist einer der wichtigen Indikatoren für die Ölqualität26. Omari et al.27 vermuteten, dass der hohe Säurewert von Rizinusöl auf die Verzögerung der Samenextraktion zurückzuführen sein könnte, die das Lipase-Enzym dazu veranlasste, die Triglyceride in freie Fettsäure zu hydrolysieren25.

Die Verseifungszahlwerte betrugen 179,9, 178,7 und 182,4 für Nichtbehandlung, Mikrowellenvorbehandlung bzw. Ultraschallvorbehandlung. Diese Ergebnisse stimmten mit denen von7,25 überein. Auch die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Öls wie niedriger Säurewert und Anteil an freien Fettsäuren sowie ein hoher Verseifungswert der Säure weisen darauf hin, dass Rizinusöl eine gute Ölqualität aufweist.

Das Molekulargewicht (MW) des Öls betrug 943,70, 953,06 und 928,45 für Nichtbehandlung, Mikrowellenvorbehandlung bzw. Ultraschallvorbehandlung. Die Rohstoffe werden durch eine chemische Reaktion unter Beteiligung von Alkohol und einem Katalysator in Biodiesel umgewandelt. Die Angabe des Molekulargewichts von Pflanzenöl ist für den Biodieselproduktionsprozess wichtig, da die Bestimmung der Menge der Reaktanten anhand des Molekulargewichts von Rizinusöl berechnet wird28. Die Ergebnisse zeigen, dass der niedrigste und der beste Molekulargewichtswert (MW) des Öls bei der Ultraschallvorbehandlung dann ohne Vorbehandlung und dann bei der Mikrowellenvorbehandlung erzielt werden.

Das Experiment wurde durchgeführt, um den Einfluss der Extraktionsschneckengeschwindigkeit (20, 40 und 60 U/min) und der Temperatur (100, 150, 200 und 250 °C) auf die Ölextraktionsausbeute aus Rizinussamen, die Extraktionsenergie und die Extraktionszeit zu untersuchen. Untersuchen Sie auch die Auswirkung der Vorbehandlungsbedingungen: Mikrowelle (niedrige, mittlere und hohe Leistungsstufe und Betriebszeiten 1, 2 und 3 Minuten) und Ultraschalltemperatur (40, 60 und 80 °C) und Betriebszeit (15, 30 und 45). min) für Rizinussamen vor der Extraktion bei optimalen Bedingungen der Schneckenpresse (200 °C Extraktionstemperatur und 60 U/min Schneckengeschwindigkeit) auf den Ölextraktionsertrag aus Rizinussamen, die Extraktionsenergie, die Extraktionszeit und den Anteil der Ölproduktion aus der Extraktion. Die erzielten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Die optimale Extraktionsölausbeute, Extraktionsenergie und Extraktionszeit betrugen 35,59 %, 18,68 Wh bzw. 1,86 Minuten wurden bei einer Extraktionstemperatur von 200 °C und einer Schneckengeschwindigkeit von 60 U/min gefunden.

Die Werte der Ölextraktionsausbeute betrugen 32,67, 37,59 und 37,41 % bei niedriger, mittlerer bzw. hoher Mikrowellenleistung, lagen jedoch bei 35,59, 36,37 und 37,08 % bei einer Ultraschalltemperatur von 40, 60 bzw. 80 °C.

Der Extraktionsenergieverbrauch betrug 20,0, 19,0 bzw. 17,33 Wh für eine Mikrowellenbetriebszeit von 1, 2 bzw. 3 Minuten, betrug jedoch 19,0, 20,3 bzw. 21,0 Wh für eine Ultraschallbetriebszeit von 15, 30 bzw. 45 Minuten.

Der höchste Wert der Extraktionszeit (2,34 Minuten) wurde bei einer Betriebszeit von 45 Minuten und einer Ultraschalltemperatur von 80 °C gefunden. Der niedrigste Wert der Extraktionszeit (1,77 Minuten) wurde bei einer Betriebszeit von 3 Minuten und einem hohen Mikrowellenleistungsniveau gefunden.

Die Vorbehandlung verbesserte die Eigenschaften des extrahierten Öls. Aber die Verwendung von Mikrowellen-Vorbehandlungen hatte eine bessere Verbesserung der Öleigenschaften als die Ultraschall-Vorbehandlungen und Nicht-Behandlungen. Die Verwendung der Mikrowellen-Vorbehandlung führte jedoch zu einer besseren Verbesserung als die Ultraschall-Vorbehandlung.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Seine Arbeit wird vollständig vom Support and Development of Scientific Research Center der Benha University gefördert.

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Hassan M. Abu Haschisch

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Korrespondenz mit El-Sayed G. Khater.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Khater, ES.G., Abd Allah, SA, Bahnasawy, AH et al. Steigerung der Bioölausbeute aus ägyptischen Rizinussamen mithilfe von Mikrowellen und Ultraschall. Sci Rep 13, 4606 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31794-3

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Eingegangen: 25. November 2022

Angenommen: 17. März 2023

Veröffentlicht: 21. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31794-3

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