Ostapenko Z. Intensification of heat and mass transfer processes of plant raw materials extraction under ultrasound conditions

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (PhD)

State registration number

0826U000600

Thesis Registration Form

0826U000600.pdf

Applicant for

Specialization

  • 133 - Галузеве машинобудування

Specialized Academic Board

PhD 12355

National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»

Essay

Extraction of biologically active substances (BAS) from plant raw materials is widely used in pharmaceutical, food, cosmetic and biotechnological industries. Its efficiency determines production cost and product quality. The increasing demand for environmentally friendly products requires intensification of extraction processes without aggressive reagents and high temperatures. Traditional methods are characterized by long duration, high energy consumption and low extraction efficiency, which depends on raw material structure, extractant properties and heat and mass transfer intensity. A promising approach to intensification in the system “plant raw material – extractant” is the use of ultrasound. It initiates cavitation accompanied by bubble formation and collapse, local pressure fluctuations and microturbulization. These effects lead to destruction of cell walls, reduction of the diffusion layer, improvement of heat and mass transfer and acceleration of diffusion. Ultrasonic treatment reduces extraction time and increases BAS yield without temperature increase, which is important for thermolabile compounds. The aim of the research is to develop scientifically substantiated approaches to intensification of BAS extraction processes using ultrasound and optimal selection of extractants. Research methods. The study combines theoretical, experimental and numerical approaches. Theoretical analysis is based on mass transfer laws and phase equilibrium. The process is described using the convection–diffusion equation and the Navier-Stokes equations, allowing determination of extraction kinetics and influence of technological parameters. Experimental studies included determination of extract composition using high-performance thin-layer chromatography, ensuring identification of components and evaluation of efficiency. Numerical modeling of hydrodynamics and mass transfer was performed using CFD methods in ANSYS CFX, enabling simulation of velocity, pressure and concentration fields and evaluation of ultrasonic effects. The practical value lies in the possibility of using the results for design, optimization and modernization of ultrasonic extraction processes and equipment. Established regularities can be applied in selecting operating modes of ultrasonic extractors. Developed mathematical models allow prediction of process parameters, providing a basis for optimization and reduction of extraction time. The proposed modeling approaches can be used in engineering design of acoustic extractors. The results can be applied in pharmaceutical, food and biotechnological industries for development of BAS extraction technologies. Some technical solutions are protected by Ukrainian patents. The results are implemented in the educational process. Scientific novelty. For the first time, the influence of ultrasound on heat and mass transfer processes for different raw materials and extractants has been established; a soaking model considering capillary-porous structure has been developed. The model of ultrasonic BAS extraction and approaches to modeling of acoustic extractors have been improved. In the first chapter, traditional and modern extraction methods and physicochemical fundamentals are analyzed. The second chapter presents experimental methods and results of ultrasound influence on raw material structure. The third chapter investigates extraction kinetics and develops a mathematical model. Chromatographic analysis of the obtained extracts was performed to establish qualitative and quantitative indicators. The fourth chapter considers equipment and process modeling in an acoustic extractor. The personal contribution consists in performing theoretical, experimental and numerical studies, model development and analysis. The dissertation work was carried out at the Department of Biotechnics and Engineering of the Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, under the supervision of Doctor of Technical Sciences, Professor Melnyk V.M. The work is the result of independent research conducted by Ostapenko Zh.I. The work resulted in 17 publications, including 5 articles (2 indexed in Scopus), 9 conference papers and 3 Ukrainian patents. Keywords: ultrasound, extraction, cavitation, mathematical and computer model, hydrodynamics, temperature, extract, heat and mass transfer, plant raw materials, solid-liquid.

Read more

Research papers

Karachun, V., Ruzhinska, L., & Ostapenko, Z. (2019). Research of influence of ultrasound on the extraction process of vegetable oil. Technology audit and production reserves. №1(3(45)), 33-35. https://doi.org/10.15587/2312-8372.2019.160344

Шибецький В.Ю., Остапенко Ж.І., Фесенко В.В. Дослідження гідродинаміки і теплообміну у виносних теплообмінних елементах екстракторів. Вібрації в техніці і технологіях. 2022. №1 (104). С. 132-137. https://doi.org/10.37128/2306-8744-2022-1-16

Остапенко Ж.І. Математичне моделювання процесу екстрагування акустичному екстракторі. Вібрації в техніці і технологіях. 2022. №3 (106). С. 44-48. https://doi.org/10.37128/2306-8744-2022-3-6

Ostapenko, Z. (2023). Determination of the influence of the sound capillary effect on the process of soaking vegetable raw materials in the acoustic extractor. Technology audit and production reserves № 1(3(69), 31-38. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2023.275236

. Korobiichuk, I., Mel’nick, V., Ostapenko, Z., & Ruzhinska, L. (2023) Study of heat and mass transfer processes during extraction of plant raw materials under the influence of ultrasound. Ultrasonics Sonochemistry, 98, 106512. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2023.106512

Ostapenko Z.I. Mathematical model of the oil extraction from plant raw material. Матеріали ХХІІ Міжнародної науково-практичної інтернет-конференції «Наука та освіта: досягнення та стратегії розвитку» (4 листопада 2019 р.). Дніпро: ГО «НОК», 2019. с. 25-28

Ostapenko Z.I. Experimental investigation of the extraction process in ultrasonic conditions. Materials of the Third International Scientific Multidisciplinary Conference of Students and Beginner Scientists “Modern Technologies: Improving the Present and Impacting the Future: International Scientific Multidisciplinary Conference of Students and Beginner Scientists (dedicated to the 90th anniversary of the University)”. (27 November 2019). Дніпро: Дніпровський нац. ун-т залізн. трансп. ім. В. Лазаряна, 2019. c. 43-44

Остапенко Ж.І. Ультразвукова екстракція як ресурсоефективна альтернатива вилучення цільових продуктів із сировини. Матеріали ХV Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Біотехнологія XXI століття» (23 квітня 2021 р.). Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. 201 с

Остапенко Ж.І., Фесенко В.В. Вдосконалення конструкцій циркуляційно-акустичного екстрактора для екстракції бар з рослинної сировини. Матеріали ХVІ Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Біотехнологія XXI століття» (Київ, 3 червня 2022) [Електронне видання]. Міністерство освіти і науки України, КПІ ім. Ігоря Сікорського, Національна академія наук України, Інститут клітинної біології та генетичної інженерії. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. 204с

Ружинська Л.І., Остапенко Ж.І. Особливості процесу екстрагування бар з рослинної сировини в умовах ультразвукового випромінювання. Матеріали ХVІ Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Біотехнологія XXI століття» (Київ, 3 червня 2022) [Електронне видання]. Міністерство освіти і науки України, КПІ ім. Ігоря Сікорського, Національна академія наук України, Інститут клітинної біології та генетичної інженерії. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. 204с

Korobiichuk I., Mel’nick V., Ostapenko Z., Ruzhinska L. Investigation of heat and mass transfer processes in the extraction of vegetable raw materials under the conditions of ultrasound. 22nd International Scientific Multidisciplinary Conference on Earth and Planetary Sciences SGEM 2022. 2-11 July, 2022

Остапенко Ж.І., Волошенко І.В. Визначення залежності утворення кавітаційних бульбашок від частоти ультразвукових коливань. Матеріали ХVІІ Міжнародної науково-практичної конференції «Біотехнологія ХХІ століття» 19 травня 2023. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023, с. 308-310

Остапенко Ж.І., Ружинська Л.І. Вплив фізичних властивостей екстрагентів на виникнення ультразвукової кавітації при екстрагуванні бар з рослинної сировини. Матеріали ХVІІ Міжнародної науково-практичної конференції «Біотехнологія ХХІ століття» 19 травня 2023. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023, с. 311-313

Ostapenko Z., Honcharenko K. Influence of ultrasonic cavitation on the structure of plant raw material. Матеріали ХVІІІ Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Біотехнологія ХХІ століття». 17 травня 2024. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024, 331 с

Поводзинський В.М., Ружинська Л.І., Остапенко Ж.І. Ферментер з протифазним вібраційним перемішуванням. Пат. на кор. модель № 136498 Україна: МПК С12М1/04 (2006.01). № u201901489; заявл. 14.02.2019; опубл. 27.08.2019, Бюл. №16. 2 с

. Поводзинський В.М., Ружинська Л.І., Остапенко Ж.І. Вібраційний екстрактор. Пат. на кор. модель № 136500, Україна: МПК B01D11/02 (2006.01). № u201901491; заявл. 14.02.2019; опубл. 27.08.2019, Бюл. № 16. 2 с

Остапенко Ж.І., Ружинська Л.І., Шибецький В.Ю., Фесенко В.В. Циркуляційно-акустичний екстрактор. Пат. на кор. модель № 154110, Україна: МПК B01D11/02 (2006.01), C11B 1/10 (2006.01). № u202301177; заявл. 21.03.2023; опубл. 12.10.2023, Бюл. № 1. 2 с

Read more

Similar theses

0826U000110

Mykhailo M. Zamrii

Justification of the Parameters and Operating Modes of Equipment for Drying Alfalfa Seed Material

0825U004310

Andrii M. Didyk

Justification of the design and technological parameters of a vibrating machine for drying walnuts

0825U004088

Bohdan Fedyshyn

Substantiation of parameters for earthmoving working equipment with a movable oblique-angled blade

0825U003641

Sviatoslav O. Yevtushenko

Influence of operating and geometrical parameters of the mixing chamber on the efficiency of a liquid-vapor jet apparatus

0825U003636

Halyna Cherevatenko

Increasing the efficiency of the plough unit functioning by improving traction and coupling properties