Pulsed Electric Field (PEF) assisted extraction and drying of plant material

Abstract

The work reported in this thesis is submitted under the initial approved title, Pulsed Electric Field (PEF) Assisted Extraction and Drying of Plant Material. The systematic, publicationsupported and openly examinable evidence developed in the thesis focuses on pulsed electricfield (PEF)-assisted solid–liquid extraction of phenolic compounds from plant material using water–ethanol media under mild, non-thermal operating conditions. It tests whether PEF changes total phenolic content under matched extraction conditions and identifies the process conditions under which the observed change remains meaningful for engineering interpretation. PEF-assisted drying is retained as part of the original approved scope and as a future-work component. Exploratory checks within the same low-energy, extraction-oriented PEF window did not provide a basis for a separate drying chapter or for a general drying-acceleration conclusion. The experimental part of the thesis is based on six peer-reviewed, published studies: five extraction studies and one life cycle assessment study. The extraction studies cover fresh or processed plant material from Olea europaea leaves, Salvia officinalis leaves, Sideritis raiseri aerial parts, and Elaeagnus pungens ‘Limelight’ leaves. A separate LCA study examines polyphenol production from Moringa oleifera leaves. The experimental work was supported by the development, commissioning, and use of a bench-scale PEF system, which defined the practical range of electric field strength, pulse duration, pulse period, extraction time, solvent composition, and specific energy input used in the thesis. Since the publications were not originally designed as one prospective factorial experiment, a separate integration step was required. The reported extraction conditions were reorganised into a common condition-level dataset. This dataset contains 93 condition-level records, including 37 non-PEF controls and 56 PEF-treated condition-level records. Each PEF-treated condition was linked to its appropriate control through the CTR_source_ID field. In this way, the effect of PEF was calculated only against the corresponding non-PEF baseline and not against unrelated conditions. The integrated comparison shows that PEF usually increased total phenolic content, but the effect was not constant across matrices or recipes. Across the 56 PEF-treated condition-level contrasts, ΔTPC ranged from −4.1% to 73.2%, with a median increase of 26.7%. The strongest median response was observed for Elaeagnus pungens, while Sideritis raiseri showed the weakest matrix-level response and was the only matrix containing an individual negative paired ΔTPC value. This supports the conclusion that PEF should not be treated as a universal extraction enhancer. Its effect depends on the matrix, the ethanol fraction, the pulse programme, and the specific energy input. Where chromatographic data were available, the results also indicated that PEF could change the relative recovery of individual phenolic compounds alongside the total phenolic response.The results also show that higher electrical input does not automatically lead to higher phenolic recovery. In several cases, useful improvements were obtained at low or moderate ethanol fractions and low specific energy input. The preferred operating point in an extraction process is not always the condition with the highest absolute total phenolic content. It may instead be the condition that gives an acceptable yield with lower ethanol demand, lower energy input, or simpler downstream handling.The LCA chapter is not merged with the Chapter 11 extraction synthesis, because it answers a different question. It uses Moringa oleifera leaves as the case study and relates the production of 1 g of extracted dry total polyphenols, expressed in gallic acid equivalents (GAE), to the material and energy flows required by the extraction route. In the thesis, it is used as an environmental check on the extraction results rather than as another source of paired TPC values. Its main role in the thesis is to show that a PEF route cannot be called “green” based solely on yield improvements. Electricity supply, biomass preparation, solvent handling, and the amount of extract actually obtained per cycle must all be considered. Chapter 12 keeps the scale-up discussion at the feasibility level. It translates the bench-scale static/batch extraction evidence into three conceptual scale-up routes: scaled-batch operation, recirculating-batch/semi-continuous operation and continuous inline treatment. The batch route is the closest and most direct translation because it preserves defined batch mass, extraction duration, recipe control and dose accounting. The recirculating-batch and continuous routes require progressively stronger validation of loop hydraulics, pass history, RTD, feed control and solids handling. None of the three routes is presented as a pilot-validated process or equipment specification.The main contribution of the thesis is broader than the identification of one favourable PEF condition. It brings the publication-based body of work onto a single process-engineering basis: apparatus development, extraction results, treated–control pairing, cross-matrix comparison, LCA interpretation, and scale-up discussion are presented as parts of the same argument. On this basis, PEF-assisted extraction is presented as a useful but conditional process option. Its value depends on the selected plant material, ethanol fraction, pulse programme, specific energy input, and the process objective chosen for scale-up. Keywords: pulsed electric field (PEF), electroporation, solid–liquid extraction, plant-material drying, polyphenols, total phenolic content (TPC), hydroethanolic media, paired effect-size synthesis, life cycle assessment (LCA), scale-up.

Η εργασία που παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή υποβάλλεται υπό τον αρχικό εγκεκριμένο τίτλο που καλύπτει την εκχύλιση και την ξήρανση φυτικού υλικού με υποβοήθηση παλμικού ηλεκτρικού πεδίου (PEF). Το συστηματικό, δημοσιευμένο και εξετάσιμο σώμα τεκμηρίωσης εστιάζει στην εκχύλιση στερεού–υγρού φαινολικών ενώσεων από φυτικό υλικό με χρήση υδατοαιθανολικών μέσων και υπό ήπιες, μη θερμικές συνθήκες λειτουργίας. Κύριος στόχος ήταν να εξεταστεί αν η εφαρμογή PEF μεταβάλλει το συνολικό φαινολικό περιεχόμενο υπό αντιστοιχισμένες συνθήκες εκχύλισης και να προσδιοριστούν οι συνθήκες διεργασίας υπό τις οποίες η παρατηρούμενη μεταβολή έχει ουσιαστική σημασία από την πλευρά της μηχανικής διεργασιών. Η ξήρανση διατηρείται ως τμήμα του αρχικού εγκεκριμένου εύρους και ως κατεύθυνση μελλοντικής εργασίας. Οι διερευνητικοί έλεγχοι στο χαμηλό ενεργειακό παράθυρο PEF που επιλέχθηκε για την εκχύλιση δεν έδωσαν βάση για αυτοτελές κεφάλαιο ξήρανσης ή για γενικό συμπέρασμα επιτάχυνσης της ξήρανσης. Το ερευνητικό μέρος της διατριβής βασίζεται σε έξι δημοσιευμένες και αξιολογημένες από ομοτίμους μελέτες: πέντε μελέτες εκχύλισης και μία μελέτη ανάλυσης κύκλου ζωής. Οι μελέτες εκχύλισης καλύπτουν νωπό ή επεξεργασμένο φυτικό υλικό από φύλλα Olea europaea, φύλλα Salvia officinalis, εναέρια τμήματα Sideritis raiseri και φύλλα Elaeagnus pungens ‘Limelight’. Ξεχωριστή μελέτη LCA εξετάζει την παραγωγή πολυφαινολών από φύλλα Moringa oleifera. Η πειραματική εργασία υποστηρίχθηκε από την ανάπτυξη, τη θέση σε λειτουργία και τη χρήση εργαστηριακής διάταξης PEF, η οποία καθόρισε το πρακτικό εύρος της έντασης ηλεκτρικού πεδίου, της διάρκειας παλμού, της περιόδου παλμού, του χρόνου εκχύλισης, της σύστασης του διαλύτη και της ειδικής ενεργειακής εισροής που χρησιμοποιήθηκαν στη διατριβή. Επειδή οι δημοσιεύσεις δεν είχαν αρχικά σχεδιαστεί ως ένας ενιαίος, εκ των προτέρων παραγοντικός πειραματικός σχεδιασμός, απαιτήθηκε ξεχωριστό στάδιο ενοποίησης. Οι αναφερόμενες συνθήκες εκχύλισης αναδιοργανώθηκαν σε ένα κοινό σύνολο δεδομένων σεεπίπεδο πειραματικής συνθήκης. Το σύνολο αυτό περιλαμβάνει 93 συνθήκες, από τις οποίες 37 είναι μάρτυρες χωρίς PEF και 56 είναι συνθήκες με εφαρμογή PEF. Κάθε συνθήκη με εφαρμογή PEF συνδέθηκε με τον αντίστοιχο μάρτυρα μέσω του πεδίου CTR_source_ID. Με αυτόν τον τρόπο, η επίδραση του PEF υπολογίστηκε μόνο σε σχέση με την αντίστοιχη βασική συνθήκη χωρίς PEF και όχι σε σχέση με άσχετες πειραματικές συνθήκες. Η ενοποιημένη σύγκριση δείχνει ότι το PEF συνήθως αύξησε το συνολικό φαινολικό περιεχόμενο των εκχυλισμάτων, αλλά η επίδραση δεν ήταν σταθερή σε όλα τα φυτικά υποστρώματα ή σε όλα τα σχήματα εκχύλισης. Στις 56 αντιθέσεις σε επίπεδο πειραματικής συνθήκης με εφαρμογή PEF, το ΔTPC κυμάνθηκε από −4,1% έως 73,2%, με διάμεση αύξηση 26,7%. Η ισχυρότερη διάμεση απόκριση παρατηρήθηκε για το Elaeagnus pungens, ενώ το Sideritis raiseri εμφάνισε την ασθενέστερη απόκριση σε επίπεδο φυτικού υποστρώματος και ήταν το μόνο υπόστρωμα που περιείχε μεμονωμένη αρνητική τιμή ζευγοποιημένου ΔTPC. Το εύρημα αυτό υποστηρίζει το συμπέρασμα ότι το PEF δεν πρέπει να αντιμετωπίζεται ως καθολικός ενισχυτής εκχύλισης. Η επίδρασή του εξαρτάται από το φυτικό υπόστρωμα, την αναλογία αιθανόλης/νερού, το πρόγραμμα παλμών και την ειδική ενεργειακή εισροή. Τα διαθέσιμα χρωματογραφικά δεδομένα έδειξαν επίσης ότι το PEF μπορεί να μεταβάλει τη σχετική ανάκτηση επιμέρους φαινολικών ενώσεων παράλληλα με τη συνολική φαινολική απόκριση.Τα αποτελέσματα δείχνουν επίσης ότι η μεγαλύτερη ηλεκτρική εισροή δεν οδηγεί αυτόματα σε μεγαλύτερη ανάκτηση φαινολικών. Σε αρκετές περιπτώσεις, χρήσιμες βελτιώσεις επιτεύχθηκαν σε χαμηλά ή μέτρια κλάσματα αιθανόλης και με χαμηλή ειδική ενεργειακή εισροή. Το προτιμώμενο σημείο λειτουργίας σε μια διεργασία εκχύλισης δεν είναι πάντοτε εκείνο με το υψηλότερο απόλυτο συνολικό φαινολικό περιεχόμενο. Μπορεί, αντίθετα, να είναι η συνθήκη που δίνει αποδεκτή απόδοση με χαμηλότερη απαίτηση σε αιθανόλη, χαμηλότερη ενεργειακή εισροή ή απλούστερη διαχείριση στα επόμενα στάδια της διεργασίας. Το κεφάλαιο της ανάλυσης κύκλου ζωής δεν συγχωνεύεται με τη σύνθεση εκχύλισης του Κεφαλαίου 11, επειδή απαντά σε διαφορετικό ερώτημα. Χρησιμοποιεί φύλλα Moringa oleifera ως μελέτη περίπτωσης και συσχετίζει την παραγωγή 1 g εκχυλισμένων ξηρών ολικώνπολυφαινολών, εκφρασμένων σε ισοδύναμα γαλλικού οξέος (GAE), με τις ροές υλικών και ενέργειας που απαιτούνται από την εκχυλιστική διαδρομή. Στη διατριβή χρησιμοποιείται ως περιβαλλοντικός έλεγχος των αποτελεσμάτων εκχύλισης και όχι ως μία ακόμη πηγή ζευγοποιημένων τιμών TPC. Ο κύριος ρόλος του στη διατριβή είναι να δείξει ότι μια διαδρομή PEF δεν μπορεί να χαρακτηριστεί «πράσινη» αποκλειστικά βάσει βελτιώσεων στην απόδοση. Η ηλεκτρική ενέργεια, η προετοιμασία της βιομάζας, η διαχείριση του διαλύτη και η ποσότητα εκχυλίσματος που λαμβάνεται ανά κύκλο πρέπει να συνεκτιμώνται.Το Κεφάλαιο 12 διατηρεί τη συζήτηση για την κλιμάκωση σε επίπεδο σκοπιμότητας. Μεταφράζει την εργαστηριακή στατική/κατά παρτίδα τεκμηρίωση της εκχύλισης σε τρεις εννοιολογικές διαδρομές κλιμάκωσης: κλιμακωμένη λειτουργία παρτίδας, ανακυκλοφορούμενη λειτουργία παρτίδας/ημι-συνεχή λειτουργία και συνεχή εν σειρά κατεργασία. Η διαδρομή παρτίδας αποτελεί την πλησιέστερη και αμεσότερη μετάφραση της εργαστηριακής βάσης, επειδή διατηρεί καθορισμένη μάζα παρτίδας, χρόνο εκχύλισης, έλεγχο συνταγής και λογιστική της ηλεκτρικής δόσης. Οι διαδρομές ανακυκλοφορίας και συνεχούς λειτουργίας απαιτούν προοδευτικά αυστηρότερη επαλήθευση της υδραυλικής συμπεριφοράς, του ιστορικού διελεύσεων, της κατανομής χρόνου παραμονής, του ελέγχου τροφοδοσίας καιτης διαχείρισης στερεών. Καμία από τις τρεις διαδρομές δεν παρουσιάζεται ως πιλοτικά επικυρωμένη διεργασία ή ως προδιαγραφή εξοπλισμού. Η κύρια συμβολή της διατριβής είναι ευρύτερη από τον προσδιορισμό μίας ευνοϊκής συνθήκης PEF. Η διατριβή ενώνει ένα σώμα εργασίας βασισμένο σε δημοσιεύσεις σε μία ενιαία βάση μηχανικής διεργασιών: η ανάπτυξη της διάταξης, τα αποτελέσματα εκχύλισης, η ζευγοποίηση των συνθηκών PEF με τους αντίστοιχους μάρτυρες χωρίς PEF, η σύγκριση μεταξύ φυτικών υποστρωμάτων, η ερμηνεία της LCA και η συζήτηση κλιμάκωσης παρουσιάζονται ως μέρη του ίδιου επιχειρήματος. Σε αυτή τη βάση, η εκχύλιση με υποβοήθηση PEF παρουσιάζεται ως χρήσιμη, αλλά υπό προϋποθέσεις, επιλογή διεργασίας. Η αξία της εξαρτάται από το επιλεγμένο φυτικό υλικό, το κλάσμα αιθανόλης, το πρόγραμμα παλμών, την ειδική ενεργειακή εισροή και τον στόχο διεργασίας που επιλέγεται για την κλιμάκωση. Λέξεις-κλειδιά: παλμικό ηλεκτρικό πεδίο (PEF), ηλεκτροπόρωση, εκχύλιση στερεού–υγρού, ξήρανση φυτικού υλικού, πολυφαινόλες, συνολικό φαινολικό περιεχόμενο (TPC), υδατοαιθανολικά μέσα, ζευγοποιημένη σύνθεση μεγέθους επίδρασης, ανάλυση κύκλου ζωής(LCA), κλιμάκωση.