Mejorando la biografía

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 4606 (2023) Citar este artículo

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La escasez de energía y los problemas de la energía convencional son la principal razón para encontrar una fuente de energía renovable que sea barata y respetuosa con el medio ambiente, por lo que la producción de biodiesel es una de las soluciones más prometedoras a este problema. Además, el ricino egipcio es uno de los cultivos más importantes para la producción de aceite en comparación con otros cultivos oleaginosos de uso común. El objetivo principal de este estudio es mejorar la producción de bioaceite a partir de semillas de ricino egipcias mediante el uso de microondas y ultrasonidos como tratamientos previos. Para lograrlo, se estudiaron los efectos de la velocidad del tornillo de extracción (20, 40 y 60 rpm) y la temperatura (100, 150, 200 y 250 °C) sobre el rendimiento y la calidad de la extracción de aceite, los requisitos de energía de extracción y el tiempo de extracción. Además, se evaluó el efecto de las condiciones de pretratamiento de microondas a tres niveles de potencia (Baja, Media y Alta) y diferentes tiempos (1, 2 y 3 min) y de la condición de pretratamiento ultrasónico con diferentes temperaturas (40, 60 y 80 °C) y diferentes tiempos (15, 30 y 45 min) para semillas de ricino antes de la extracción con el estado óptimo de la prensa de tornillo sobre el rendimiento de extracción de aceite de las semillas de ricino, energía de extracción, tiempo de extracción y calidad del aceite extraído. Los resultados indican que las condiciones óptimas de extracción de aceite mediante prensa de tornillo fueron una temperatura de extracción de 200 °C y una velocidad de tornillo de 60 rpm. Se pudo observar que el rendimiento de aceite de extracción, los requerimientos de energía de extracción y el tiempo de extracción fueron 35,59%, 18,68 y 1,86 min, respectivamente. Los pretratamientos con microondas tuvieron mejores rendimientos de aceite y energía requerida para la extracción en comparación con los pretratamientos ultrasónicos, mientras que los pretratamientos con microondas registraron un alto rendimiento de aceite y menores requisitos de energía en comparación con los pretratamientos ultrasónicos. El rendimiento del petróleo osciló entre 32,67 y 37,41% en comparación con 13,29 y 39,83% en la literatura. El tiempo requerido para la extracción osciló entre 1,77 y 2,00 y 1,79 a 2,21 minutos para los pretratamientos con microondas y ultrasonidos, respectivamente. El pretratamiento mejoró las propiedades del aceite extraído.

Las industrias consumen menos energía que los edificios. El transporte ocupa el tercer nivel en consumo de energía, después de los edificios y el transporte. Las actividades agrícolas, pesqueras y forestales son las de bajo nivel de consumo energético. El consumo de energía aumentó a 9,1 Giga toneladas en todas estas actividades durante el año 20191.

El consumo de combustible para el transporte aumentó dos veces durante las décadas perdidas, debido al aumento de la población, la urbanización y la movilidad global. Este sector consumió alrededor del 28% de la demanda total de energía. Los movimientos de pasajeros y mercancías consumieron alrededor del 70% de la energía total consumida en el transporte. Debido al uso de combustibles derivados del petróleo en aproximadamente el 95% de la energía utilizada para el transporte, el medio ambiente y la seguridad energética se ven profundamente afectados 2.

La escasez de energía es un problema muy grave. El balance energético de Egipto en 2022 indica que el sector industrial consume el mayor consumo de energía final (34,2%), seguido del transporte (24,2%), los edificios residenciales (18,8%) y la agricultura y la minería (4,7%), que representa el 81,9% de el consumo total3. Hoy en día, la crisis del precio del combustible junto con el problema de la concienciación son los factores más eficaces en la estructura del uso de energía en todo el mundo. Los investigadores han dedicado mayores esfuerzos a desarrollar una energía renovable. La energía renovable es el factor clave para el futuro no sólo de Egipto sino también del mundo entero4. Por lo tanto, el uso de biodiesel como fuente alternativa de energía reduce los contaminantes y los carcinógenos potenciales. Tiene bajas emisiones debido al carbono orgánico utilizado en la fotogeneración. Además, no aumenta los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera5,6.

Plantas como los aceites de soja, maíz, palma y ricino se utilizan para producir biodiesel mediante reacción con alcoholes catalizados. Estos aceites pueden ser aceites comestibles o no comestibles. El uso de aceites no comestibles en el biodiesel es mejor para ayudar en los problemas de déficit alimentario. Los precios del biodiesel dependen del coste del petróleo crudo (75%). El uso de materias primas de bajo precio reduce el precio del biodiesel. En Egipto, el precio del aceite de ricino es más barato que el del aceite de jatrofa7. La diferencia en el precio del petróleo obtenido del ricino es menor (en un 15%) que el de la Jatropha en Egipto.

La planta de ricino (Ricinus communis) es un arbusto perenne que puede crecer entre 3 y 5 m de largo y se encuentra en todas las zonas tropicales y subtropicales del mundo. India ocupa el primer lugar en el mundo con una producción promedio de alrededor de 106 t de semillas de ricino y 3,5–5,0 × 105 t de aceite de ricino8,9. El ricino es un cultivo muy importante y sus semillas se utilizan para la producción de aceite como fuente de biodiesel. Se cultiva en tierras marginales con bajos requerimientos hídricos. Es resistente a las plagas y tolerante a la sequía. Las semillas de ricino contienen entre un 40 y un 55 %, un aceite que es muy alto en comparación con otros cultivos de uso común como la soja (15-20 %), el girasol (25-35 %), la colza (38-46 %), la palma (30-60 %). %). Se caracteriza por su alto contenido en ácido ricinoleico, más adecuado para aplicaciones industriales que alimentarias. El ricino se considera una fuente sostenible de biodiesel ya que el costo de producción de las semillas de ricino es menor que el de la jatrofa, la soja y la colza 5,7,10.

El petróleo se extrae mediante varios métodos, como mecánicos, químicos y enzimáticos. El uso de solventes orgánicos en la extracción de biodiesel se considera la mejor manera, pero afecta el medio ambiente debido a la emisión de compuestos orgánicos volátiles durante el proceso. Desde el punto de vista práctico, la extracción mecánica es el mejor método porque es segura, muestra y de menor costo6. Se puede extraer más aceite utilizando un pistón de tornillo impulsado por un motor (68–80 %) en comparación con un 60–65 % cuando se utiliza un pistón bruto impulsado por un motor. El pretratamiento de cultivos, como la fritura, aumentó el rendimiento de aceite entre un 89 y un 91 % después del doble paso6,11.

Los pretratamientos con microondas para la extracción de aceite mejoran el rendimiento y la calidad del aceite con un menor consumo de energía, un tiempo más seguro y menores niveles de disolvente en comparación con los métodos convencionales12. El aceite de pretratamiento por microondas tiene propiedades similares al aceite extraído convencionalmente, como el índice de acidez, el índice de peróxido y la composición del aceite13. La radiación de microondas produce una fracción que conduce al calentamiento. Las grasas tienen un calor específico bajo, lo que las hace vulnerables a esta radiación y crea poros permanentes en las semillas, lo que resulta en mayores rendimientos y una mejor calidad. Pretratamientos por microondas como alternativa al método convencional con procesamiento más rápido, menor consumo energético y menor tiempo de exposición14.

La aplicación de pretratamiento ultrasónico en la extracción de aceite podría mejorar la eficiencia de la extracción de aceite, la calidad del aceite extraído y el contenido de compuestos fenólicos extraídos15. El uso de métodos tradicionales de extracción de aceite da como resultado un bajo rendimiento de aceite, baja eficiencia de extracción, alto consumo de energía y baja calidad del aceite extraído, por lo tanto, el uso de pretratamientos de semillas es la idea principal de este trabajo para mejorar el consumo de energía y, finalmente, mejorar el calidad del aceite. Los pretratamientos por microondas y ultrasonidos son los pretratamientos más utilizados en la extracción de aceite de semillas.

El experimento principal se llevó a cabo en el Centro Nacional de Investigación de Giza, Egipto. Durante la temporada de verano de 2021.

Las semillas de ricino egipcias se obtuvieron de una granja de ligustros en la gobernación del Sinaí. Las semillas de ricino se han utilizado con el permiso de las normas de la Universidad Benha. Los materiales vegetales cumplen con las regulaciones locales y nacionales. Se realizó un análisis de lípidos mostrando el porcentaje de aceite en las semillas. El bioaceite se extrajo de las semillas de ricino egipcias mediante una prensa de tornillo sin tratamientos previos y los tratamientos previos se realizaron utilizando pretratamientos por microondas y ultrasonidos para mejorar la producción de bioaceite a partir de semillas de ricino. El diagrama esquemático de la Fig. 1 muestra la secuencia de extracción de aceite mediante prensa de tornillo a partir de semillas de ricino.

Diagrama esquemático de la extracción de aceite mediante prensa de tornillo a partir de semillas de ricino egipcio.

La extracción de aceite se realizó mediante una prensa de tornillo mecánica a escala de laboratorio especialmente diseñada en el Centro Nacional de Investigaciones y cuyas especificaciones se mencionan sus partes explicadas por16. En la Fig. 2 se muestra una fotografía de la prensa de tornillo y sus componentes.

Fotografía de la prensa de tornillo.

La prensa de tornillo se utilizó en la extracción de petróleo ya que los estudios han demostrado su éxito y eficiencia en la extracción. Las semillas de ricino se prensaron a temperaturas de 50 a 100 °C y velocidades de 40, 80 y 120 rpm, por lo que se elevaron las temperaturas y se eligieron los parámetros y condiciones que se adaptaran a la naturaleza y características de las semillas de ricino. Por lo tanto, los experimentos se realizaron en arreglo factorial, con tres velocidades de 40, 60 y 80 rpm, a temperaturas de extracción de 100, 150, 200 y 250 °C donde se realizaron tres repeticiones para un experimento. Se pesó el rendimiento de aceite y la torta. Se midió el consumo de energía y energía para cada tratamiento mediante una máquina medidora de energía, y también se registró el tiempo requerido para prensar para cada tratamiento.

Se utilizó un microondas con potencia de 700 W y 20 L de capacidad como se muestra en la Fig. 3. El CARIA es propiedad de la Universidad Benha y este trabajo se realiza bajo las normas de esta universidad. Los tratamientos fueron seleccionados según14. Las semillas de ricino se calentaron en el microondas y las muestras se pesaron antes y después del calentamiento para medir la pérdida de humedad. Las muestras se calentaron en el microondas durante 1, 2 y 3 minutos a tres niveles de potencia: baja, media y alta y luego las muestras se prensaron en la prensa de tornillo inmediatamente después del calentamiento en el microondas a los parámetros óptimos que se determinaron en la prensa de tornillo. . La energía requerida para calentar en el microondas y la potencia de cada muestra se midieron mediante un medidor de energía y luego se pesaron tanto el aceite como la torta.

Máquina de microondas.

Se utilizó un dispositivo ultrasónico (Modelo: UD50Sh-2.5LQ, potencia ultrasónica: 50 W, potencia de consumo total: 160 W y fuente de alimentación: 220 VAC, 50 Hz) como se muestra en la Fig. 4. El Eumax es propiedad de la Universidad Benha y este trabajo se realiza bajo las normas de esta universidad. Se utilizaron tres tiempos de exposición (15, 30 y 45 min) y temperaturas (40, 60 y 80 °C) diferentes. Las muestras se pesaron antes y después del calentamiento para medir la pérdida de humedad, luego las muestras se transfirieron a la prensa de tornillo con los parámetros óptimos que se determinaron en la prensa de tornillo. Se hicieron tres réplicas para el experimento. Se midió el consumo de energía para el calentamiento en el ultrasonido y la potencia de cada muestra, y luego se pesaron tanto el aceite como la torta.

Limpiador ultrasónico.

La prueba de cromatografía de gases (GC) es una técnica utilizada para medir la composición de ácidos grasos en una muestra de aceite que permite la separación de mezclas en función de su punto de ebullición17. La composición de ácidos grasos se determinó mediante la transmetilación de las cadenas grasas a ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME) según el método modificado por18. Las muestras de aceite de 0,2 g se mezclaron con 6 ml de solución metanólica de hidróxido de sodio. La mezcla se refluye durante 10 min y luego se agrega HCl (30 ml) y 20 ml de metanol y se refluye durante otros 10 min, luego se agregan 10 ml de hexano, se refluye durante otros 2 min y luego se deja enfriar. Finalmente, se agrega agua destilada (10 mL) y se vierte en el túnel de separación. La capa superior se recoge y se seca con cloruro de calcio. Los FAME se separaron con una cromatografía de gases HP 6890 plus (Hewlett Packard, EE. UU.), utilizando una columna capilar Supelco™ SP-2380 (60 m × 0,25 mm × 0,20 μm), (Sigma-Aldrich, EE. UU.), Detector (FID) y la temperatura del inyector y del detector fue de 250 °C. La temperatura de la columna fue de 140 °C (mantenida durante 5 min) y aumentó a 240 °C, a una velocidad de 4 °C/min, y se mantuvo a 240 °C durante 10 min. El gas portador fue helio con un caudal de 1,2 ml min-1. El volumen de muestra fue de 1 µl (en n-hexano) y se inyectó a través de un inyector dividido con una relación de división de 100:20. Los FAME se identificaron comparando sus tiempos de retención relativos y absolutos con los estándares auténticos de FAME (mezcla FAME de 37 componentes Supelco™). La composición de ácidos grasos se informó como un porcentaje relativo del área total del pico18.

El número de saponificación, el índice de acidez y el peso molecular del aceite se determinaron según 19. El índice de acidez del aceite se determinó valorando una solución de aceite en éter dietílico con una solución alcohólica de hidróxido de sodio o potasio. Cada 1 g de aceite se expresa por la cantidad de KOH que se utiliza para neutralizar el aceite.

La Figura 5 muestra el efecto de la velocidad del tornillo de extracción (20, 40 y 60 rpm) y la temperatura (100, 150, 200 y 250 °C) sobre el rendimiento de aceite de las semillas de ricino. Los resultados indican que el rendimiento de aceite disminuye al aumentar la velocidad del tornillo y disminuir la temperatura. Se pudo observar que el rendimiento de aceite disminuyó de 37,66 a 30,13 (en un 19,99%), 38,13 a 31,88 (en un 16,39%), 39,24 a 35,59 (en un 9,30%) y 40,85 a 30,37 (en un 25,65%) % cuando la velocidad del tornillo aumentó de 20 a 60 rpm, respectivamente, para 100, 150, 200 y 250 °C. Los resultados también indican que el valor más alto de disminución del rendimiento de extracción de aceite (25,65%) se encontró para una temperatura de extracción de 250 °C. Esto puede deberse a que a mayor temperatura, el aceite sale fácilmente de la celda17.

Efecto de la velocidad y temperatura del tornillo de extracción sobre el rendimiento de extracción de aceite de ricino.

Además, la alta temperatura hace que el aceite se evapore de la celda, lo que conduce a una disminución del rendimiento de aceite. Estos resultados coincidieron con los obtenidos por16 quienes encontraron que al menor valor de rendimiento de extracción de aceite se encontró el mayor valor de temperatura de extracción. Los resultados indican que la producción máxima de aceite es de aproximadamente 40.84% ​​por la prensa de tornillo lo que equivale a 83.41% en fracción masiva de aceite en semillas en comparación porcentaje de aceite 48.96% en semillas obtenido a una velocidad del motor de 20 rpm y temperatura de precalentamiento de 250 °C. Estos resultados coincidieron con los obtenidos por1. Sin embargo, en estas condiciones de extracción se consume mucho tiempo con mayor energía. El rendimiento máximo de aceite (40,85%) se obtuvo a temperaturas en el rango de 250 °C a una velocidad de 20 rpm.

La Figura 6 muestra el efecto de la velocidad del tornillo de extracción (20, 40 y 60 rpm) y la temperatura (100, 150, 200 y 250 °C) sobre el consumo de energía de extracción de aceite de semillas de ricino. Los resultados indican que el consumo de energía de extracción disminuye al aumentar la velocidad del tornillo y disminuir la temperatura. Se pudo observar que el consumo de energía de extracción disminuyó de 38,67 a 14,00 (un 63,80%), 42,00 a 17,00 (un 59,52%), 50,33 a 18,67 (un 62,90%) y 66,00 a 35,00 (un 46,97%) Wh cuando el tornillo La velocidad aumentó de 20 a 60 rpm para 100, 150, 200 y 250 °C, respectivamente. Los resultados también indican que el mayor valor de consumo de energía de extracción (66.00 Wh) se encontró con una temperatura de extracción de 250 °C y una velocidad de tornillo de 20 rpm, mientras que el valor más bajo de consumo de energía de extracción (14.00 Wh) se encontró con una extracción de 100 °C. temperatura y velocidad del tornillo de 60 rpm. Estos resultados coincidieron con los obtenidos por20.

Efecto de la velocidad y temperatura del tornillo de extracción sobre la energía de extracción.

La Figura 7 muestra el efecto de la velocidad del tornillo de extracción (20, 40 y 60 rpm) y la temperatura (100, 150, 200 y 250 °C) sobre el tiempo de extracción de aceite de las semillas de ricino. Los resultados indican que el tiempo de extracción disminuye al aumentar la velocidad del tornillo y disminuir la temperatura. Se pudo observar que el tiempo de extracción disminuyó de 5,00 a 1,59 (en un 68,20%), 5,25 a 1,70 (en un 67,62%), 5,76 a 1,86 (en un 67,71%) y 6,45 a 2,68 (en un 58,45%) min cuando la velocidad del tornillo aumentó de 20 a 60 rpm para 100, 150, 200 y 250 °C, respectivamente. Los resultados también indican que el mayor valor de tiempo de extracción (6.45 min) se encontró con una temperatura de extracción de 250 °C y una velocidad de tornillo de 20 rpm, mientras que el valor más bajo de tiempo de extracción (1.59 min) se encontró con una temperatura de extracción de 100 °C y Velocidad de tornillo de 60 rpm. Estos resultados coincidieron con los obtenidos por21.

Efecto de la velocidad y temperatura del tornillo de extracción sobre el tiempo de extracción.

Los resultados indican que las condiciones óptimas de la prensa de tornillo para las semillas de ricino extraídas fueron una temperatura de extracción de 200 °C y una velocidad de tornillo de 60 rpm. Se pudo observar que el rendimiento de aceite de extracción, la energía de extracción y el tiempo de extracción fueron 35,59%, 18,68 y 1,86 min, respectivamente.

La Figura 8a muestra el efecto del nivel de potencia de microondas (bajo, medio y alto) y el tiempo de funcionamiento (1, 2 y 3 minutos) sobre el rendimiento de la extracción de aceite de las semillas de ricino. Los resultados indican que el rendimiento de extracción de aceite aumenta al aumentar el tiempo de operación para niveles de potencia de microondas bajos y medios y disminuye al aumentar el tiempo de operación para niveles de potencia de microondas altos. Se pudo observar que el rendimiento de extracción de aceite aumentó de 30,24 a 35,43 y de 35,54 a 39,36% cuando el tiempo de operación aumentó de 1 a 3 minutos, respectivamente, para niveles de potencia de microondas bajos y medios, respectivamente. Mientras tanto, disminuyó del 38,05 al 36,06 % cuando el tiempo de funcionamiento aumentó de 1 a 3 minutos, respectivamente, para un nivel de potencia de microondas alto. Esto se debe a que el alto nivel de potencia de microondas provoca la evaporación de la humedad del aceite de la celda, lo que conduce a una disminución del rendimiento de aceite. Los resultados también indican que el valor más alto de rendimiento de extracción de aceite (39,36%) se encontró con un tiempo de operación de 3 minutos y un nivel de potencia de microondas medio en comparación con el no tratamiento, el rendimiento de extracción de aceite fue de 35,59% en las mismas condiciones (temperatura de extracción de 200 °C). y velocidad del tornillo de 60 rpm).

(a) Efecto de la condición de microondas sobre el rendimiento de extracción de aceite. (b) Efecto de la condición ultrasónica sobre el rendimiento de la extracción de aceite.

La Figura 8b muestra el efecto de la temperatura ultrasónica (40, 60 y 80 °C) y el tiempo de operación (15, 30 y 45 min) sobre el rendimiento de la extracción de aceite de las semillas de ricino. Los resultados indican que los valores de rendimiento de extracción de aceite fueron 36.26, 35.54 y 34.95, 36.46, 35.71 y 36.93 y 37.03, 36.50 y 37.71% a 15, 30 y 45 min de tiempo de operación, respectivamente para temperaturas ultrasónicas de 40, 60 y 80 °C. Los resultados también indican que el valor más alto de rendimiento de extracción de aceite (37,03%) se encontró con un tiempo de operación de 15 minutos y una temperatura ultrasónica de 80 °C en comparación con el no tratamiento.

Los resultados también indican que el rendimiento de extracción de aceite de las semillas de ricino mediante el uso de pretratamiento con microondas fue mayor que el del pretratamiento ultrasónico para niveles de potencia media y alta y temperatura media y alta, mientras que el rendimiento de extracción de aceite de las semillas de ricino mediante el uso de pretratamiento con microondas fue menor que el del pretratamiento con microondas. los de pretratamiento ultrasónico para bajos niveles de potencia y bajas temperaturas. Se pudo observar que los valores de rendimiento de extracción de aceite fueron 32.67, 37.59 y 37.41% para niveles de potencia de microondas baja, media y alta, respectivamente, pero fueron 35.59, 36.37 y 37.08% para temperatura ultrasónica de 40, 60 y 80 °C, respectivamente. . Además, el rendimiento de extracción de aceite de las semillas de ricino mediante el uso de pretratamiento con microondas fue mayor que el del pretratamiento ultrasónico para un tiempo de operación medio y alto, mientras que el rendimiento de extracción de aceite para las semillas de ricino extraídas de las semillas de ricino mediante el uso de pretratamiento con microondas fue menor que el del pretratamiento ultrasónico. para tiempos de funcionamiento reducidos. Se pudo observar que los valores de rendimiento de extracción de aceite fueron de 34.61, 36.10 y 36.95% para un tiempo de operación de microondas de 1, 2 y 3 min, respectivamente, pero fueron de 36.59, 35.92 y 36.53% para un tiempo de operación de ultrasonido de 15, 30 y 45 min. respectivamente. En general, el rendimiento de aceite de las semillas de ricino osciló entre 32,67 y 37,41% en comparación con 13,29 y 39,83% en la literatura22.

La Figura 9a muestra el efecto de la potencia de microondas (baja, media y alta) y el tiempo de funcionamiento (1, 2 y 3 min) en el consumo de energía de extracción de semillas de ricino. Los resultados indican que el consumo de energía de extracción disminuye al aumentar el nivel de potencia de microondas y el tiempo de funcionamiento. Se pudo observar que el consumo de energía de extracción disminuyó de 21,0 a 19,0, 20,0 a 18,0 y 19,0 a 16,5 Wh cuando el tiempo de funcionamiento aumentó de 1 a 3 min, respectivamente, para niveles de potencia de microondas bajo, medio y alto. Por otro lado, la energía consumida por el microondas aumenta al aumentar el nivel de potencia del microondas y el tiempo de funcionamiento. Se pudo observar que la energía consumida por el microondas aumentó de 4.33 a 10.67, 14.00 a 40.00 y 17.67 a 51.67 Wh cuando el tiempo de operación aumentó de 1 a 3 min, respectivamente para niveles de potencia de microondas bajo, medio y alto. Los resultados también indican que el valor más alto de energía de extracción (21,0 Wh) se encontró con un tiempo de funcionamiento de 1 minuto y un nivel de potencia de microondas bajo. Mientras que el valor más bajo de energía de extracción (16,5 W h) se encontró con un tiempo de funcionamiento de 3 minutos y un nivel de potencia de microondas alto.

(a) Efecto de la condición de las microondas sobre la energía de extracción de petróleo. (b) Efecto de la condición ultrasónica sobre la energía de extracción.

La Figura 9b muestra el efecto de las temperaturas ultrasónicas (40, 60 y 80 °C) y el tiempo de funcionamiento (15, 30 y 45 min) sobre el consumo de energía de extracción de las semillas de ricino. Los resultados indican que el consumo de energía de extracción aumenta al aumentar la temperatura ultrasónica y el tiempo de funcionamiento. Se pudo observar que el consumo de energía de extracción aumentó de 18,0 a 20,0, 19,0 a 21,0 y 20,0 a 22,0 W h cuando el tiempo de operación aumentó de 15 a 45 min, respectivamente para una temperatura ultrasónica de 40, 60 y 80 °C. Mientras tanto, la energía consumida por los ultrasonidos aumenta al aumentar la temperatura del ultrasonido y el tiempo de funcionamiento. Se pudo observar que la energía consumida por ultrasonido aumentó de 11.00 a 34.95, 12.40 a 36.33 y 16.33 a 38.00 W h cuando el tiempo de operación aumentó de 15 a 45 min, respectivamente para una temperatura ultrasónica de 40, 60 y 80 °C. Los resultados también indican que el valor más alto de consumo de energía de extracción (38,0 W h) se encontró con un tiempo de funcionamiento de 45 min y una temperatura ultrasónica de 80 °C. Mientras que el valor más bajo de consumo de energía de extracción (18,0 W h) se encontró con un tiempo de operación de 15 min y una temperatura ultrasónica de 40 °C.

Los resultados también indican que el consumo de energía de extracción de las semillas de ricino mediante el pretratamiento con microondas fue menor que el del pretratamiento con ultrasonidos. Se pudo observar que el consumo de energía de extracción a partir de semillas de ricino fue de 20,0, 19,0 y 17,5 Wh para niveles de potencia de microondas bajos, medios y altos, respectivamente, pero fueron de 19,17, 20,17 y 21,00 Wh para ultrasonidos de 40, 60 y 80 °C. temperatura, respectivamente. Además, el consumo de energía de extracción de semillas de ricino mediante el pretratamiento con microondas fue mayor que el del pretratamiento ultrasónico para tiempos de operación medios y altos, mientras que la energía de extracción mediante el uso de pretratamiento con microondas fue menor que el del pretratamiento ultrasónico para tiempos de operación bajos. Se pudo observar que el consumo de energía de extracción fue de 20,0, 19,0 y 17,33 W h para un tiempo de operación de microondas de 1, 2 y 3 min, respectivamente, pero fueron de 19,0, 20,3 y 21,0 W h para un tiempo de operación de ultrasonido de 15, 30 y 45 min. , respectivamente.

La Figura 10a muestra el efecto del nivel de potencia del microondas (bajo, medio y alto) y el tiempo de funcionamiento (1, 2 y 3 min) sobre el tiempo de extracción de las semillas de ricino. Los resultados indican que el tiempo de extracción disminuye al aumentar el nivel de potencia de microondas y el tiempo de funcionamiento. Se pudo observar que el tiempo de extracción disminuyó de 2.00 a 1.88, 1.95 a 18.82 y 1.92 a 1.77 min cuando el tiempo de operación aumentó de 1 a 3 min, respectivamente para niveles de potencia de microondas bajo, medio y alto. Los resultados también indican que el valor más alto de tiempo de extracción (2,0 min) se encontró con 1 min de tiempo de operación y un nivel de potencia de microondas bajo. Mientras que el valor más bajo de tiempo de extracción (1,77 min) se encontró en 3 min de tiempo de operación y alto nivel de potencia de microondas.

(a) Efecto de la condición de microondas sobre el tiempo de extracción de aceite. (b) Efecto de la condición ultrasónica sobre el tiempo de extracción de aceite.

La Figura 10b muestra el efecto de las temperaturas ultrasónicas (40, 60 y 80 °C) y el tiempo de operación (15, 30 y 45 min) sobre el tiempo de extracción de las semillas de ricino. Los resultados indican que el tiempo de extracción aumenta al aumentar la temperatura ultrasónica y el tiempo de funcionamiento. Se pudo observar que el tiempo de extracción aumentó de 1,79 a 1,93, 1,92 a 2,11 y 2,00 a 2,21 min cuando el tiempo de operación aumentó de 15 a 45 min, respectivamente para una temperatura ultrasónica de 40, 60 y 80 °C. Los resultados también indican que el valor más alto de tiempo de extracción (2,21 min) se encontró con un tiempo de operación de 45 min y una temperatura ultrasónica de 80 °C. Mientras que el valor más bajo de tiempo de extracción (1,79 min) se encontró con un tiempo de operación de 15 min y una temperatura ultrasónica de 40 °C.

La Tabla 1 muestra el efecto del pretratamiento (microondas y ultrasonidos) de las semillas de ricino en el análisis de cromatografía de gases en comparación con sin pretratamiento en las mismas condiciones (temperatura de extracción de 200 °C y velocidad de tornillo de 60 rpm). Los resultados indican que el uso de microondas para el pretratamiento de semillas de ricino mejoró el contenido de las propiedades de rendimiento de aceite más que el pretratamiento ultrasónico para semillas de ricino y sin pretratamiento. Por otro lado, el uso de ultrasonidos para el pretratamiento de semillas de ricino mejoró la calidad de las propiedades del aceite más que el pretratamiento con microondas para semillas de ricino y sin pretratamiento. Se pudo observar que los ácidos palmítico, esteárico, oleico, linolénico y α linolénico fueron 1,26, 1,76 y 0,77, 1,35, 2,61 y 1,09, 4,47, 5,12 y 3,43, 5,41, 6,53 y 4,17 y 0,62, 0,54 y 0,49% para sin tratamiento, pretratamiento con microondas y pretratamiento con ultrasonidos, respectivamente. Estos resultados coincidieron con los obtenidos por23,24 quienes encontraron que el aceite de ricino está presente en menor cantidad que incluye ácido esteárico (1%), ácido linoleico (4,2%), ácido linolénico (0,3%), ácido dihidroxiesteárico (0,7%), Ácido oleico (3,0%), ácido palmítico (1%) y ácido eicosanoico (0,3%)17.

Los resultados también indican que el ácido ricinoleico fue de 86,99, 83,44 y 90,05% para el pretratamiento sin tratamiento, el pretratamiento con microondas y el pretratamiento ultrasónico, respectivamente. Estos resultados coincidieron con los obtenidos por 6, quienes mencionaron que el ácido ricinoleico es un componente principal del aceite de semilla de ricino, donde aproximadamente el 90% del contenido de ácidos grasos en el aceite de ricino son los triglicéridos formados a partir del ácido ricinoleico. Es un ácido graso omega-9 insaturado y un hidroxiácido.

Los resultados indican que los valores de acidez fueron 1,56, 2,11 y 1,13% para sin tratamiento, pretratamiento con microondas y pretratamiento ultrasónico, respectivamente. El índice de acidez es uno de los indicadores importantes de la calidad del aceite26. Omari et al.27 sugirieron que el alto valor ácido del aceite de ricino puede deberse al retraso en la extracción de las semillas que influyó en la enzima lipasa para hidrolizar los triglicéridos en ácidos grasos libres25.

Los valores del número de saponificación fueron 179,9, 178,7 y 182,4 para sin tratamiento, pretratamiento con microondas y pretratamiento ultrasónico, respectivamente. Estos resultados coincidieron con los obtenidos por7,25. Además, las propiedades fisicoquímicas del aceite, como el bajo índice de acidez y el porcentaje de ácidos grasos libres, y el alto índice de saponificación, indican que el aceite de ricino tiene una buena calidad de aceite.

El peso molecular (MW) del valor del aceite fue 943,70, 953,06 y 928,45 para sin tratamiento, pretratamiento con microondas y pretratamiento ultrasónico, respectivamente. Las materias primas se convierten en biodiesel mediante una reacción química que involucra alcohol y un catalizador. La especificación del peso molecular del aceite de cultivo es importante para el proceso de producción de biodiesel porque la determinación de la cantidad de reactivos se calcula de acuerdo con el peso molecular del aceite de ricino28. Los resultados indican que el valor de peso molecular (MW) más bajo y mejor del aceite es el pretratamiento ultrasónico, luego el pretratamiento sin pretratamiento y luego el pretratamiento con microondas.

El experimento se llevó a cabo para estudiar el efecto de la velocidad del tornillo de extracción (20, 40 y 60 rpm) y la temperatura (100, 150, 200 y 250 °C) sobre el rendimiento de extracción de aceite de semillas de ricino, la energía de extracción y el tiempo de extracción. Además, estudiar el efecto de las condiciones de pretratamiento: microondas (nivel de potencia bajo, medio y alto y tiempos de operación fueron 1, 2 y 3 min) y temperatura ultrasónica (40, 60 y 80 °C) y tiempo de operación (15, 30 y 45). min) para semillas de ricino antes de la extracción en condiciones óptimas de prensa de tornillo (temperatura de extracción de 200 °C y velocidad de tornillo de 60 rpm) sobre el rendimiento de extracción de aceite de las semillas de ricino, energía de extracción, tiempo de extracción y componente de la producción de aceite a partir de la extracción. Los resultados obtenidos se pueden resumir de la siguiente manera:

El rendimiento de aceite de extracción, la energía de extracción y el tiempo de extracción óptimos fueron 35,59 %, 18,68 Wh y 1,86 min, respectivamente, a una temperatura de extracción de 200 °C y una velocidad de tornillo de 60 rpm.

Los valores de rendimiento de extracción de aceite fueron 32,67, 37,59 y 37,41% a niveles de potencia de microondas baja, media y alta, respectivamente, pero fueron 35,59, 36,37 y 37,08% para temperatura ultrasónica de 40, 60 y 80 °C, respectivamente.

El consumo de energía de extracción fue de 20,0, 19,0 y 17,33 Wh durante 1, 2 y 3 minutos de tiempo de funcionamiento del microondas, respectivamente, pero fueron de 19,0, 20,3 y 21,0 Wh durante 15, 30 y 45 minutos de tiempo de funcionamiento del ultrasonido, respectivamente.

El valor más alto de tiempo de extracción (2,34 min) se encontró con un tiempo de operación de 45 min y una temperatura ultrasónica de 80 °C. Mientras que el valor más bajo de tiempo de extracción (1,77 min) se encontró en 3 min de tiempo de operación y alto nivel de potencia de microondas.

El pretratamiento mejoró las propiedades del aceite extraído. Pero el uso de pretratamientos con microondas tuvo un efecto de mejora en las propiedades del aceite mejor que el de los pretratamientos y no tratamientos ultrasónicos. Sin embargo, el uso del pretratamiento con microondas tuvo una mejora mejor que el del pretratamiento ultrasónico.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Su trabajo está totalmente patrocinado por el Centro de Apoyo y Desarrollo de Investigación Científica de la Universidad Benha.

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Autoridad de Financiamiento de Ciencia, Tecnología e Innovación (STDF) en cooperación con el Banco Egipcio de Conocimiento (EKB). Esta investigación fue apoyada por el Centro de Apoyo y Desarrollo de Investigación Científica de la Universidad Benha, Egipto.

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ESK, AB, SAA y HAH: investigación, recursos, redacción: preparación del borrador original, redacción: revisión y edición.

Correspondencia a El-Sayed G. Khater.

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Khater, ES.G., Abd Allah, SA, Bahnasawy, AH et al. Mejora del rendimiento del bioaceite extraído de las semillas de ricino egipcio mediante el uso de microondas y ultrasonidos. Informe científico 13, 4606 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31794-3

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Recibido: 25 de noviembre de 2022

Aceptado: 17 de marzo de 2023

Publicado: 21 de marzo de 2023

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

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