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From Castor Seeds to Oil: Experimental Insights and Modeling of Oil Extraction

यह अध्ययन अरंडी के तेल के निष्कर्षण के लिए डायनेमिक मैसेरेशन (dynamic maceration) के अनुप्रयोग की जांच करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि विलायक ध्रुवीयता (solvent polarity) और उच्च तापमान उपज में महत्वपूर्ण सुधार करते हैं और प्रक्रिया अनुकूलन एवं स्केल-अप के लिए तीन गणितीय मॉडलों को प्रमाणित करते हैं।

मूल लेखक: Mehdi LOUAER, Narimane LAMMARI, Abdeslam Hassan MENIAI

प्रकाशित 2026-07-10

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Mehdi LOUAER, Narimane LAMMARI, Abdeslam Hassan MENIAI

मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आपके पास अरंडी के छोटे, सख्त बीजों की एक थैली है, और आपका लक्ष्य बीजों को धूल में बदले बिना उनसे बहुमूल्य तेल निकालना है। यह शोध पत्र एक जासूसी कहानी की तरह है जहाँ शोधकर्ताओं, मेहदी लुआर और उनकी टीम (यूनिवर्सिटी ऑफ कॉन्स्टेंटाइन 3 से) ने यह पता लगाने की कोशिश की कि तेल निकालने का सबसे तेज़ और सबसे अच्छा तरीका क्या है, और फिर उन्होंने यह अनुमान लगाने के लिए एक "आभासी प्रयोगशाला" बनाई कि यह कैसे होगा।

महान विलायक मुकाबला (The Great Solvent Showdown)
सबसे पहले, टीम ने यह देखने के लिए तीन अलग-अलग "स्नान" (विलायक/solvents) का परीक्षण किया कि कौन सा विलायक बीजों से तेल को सबसे प्रभावी ढंग से बाहर निकाल सकता है। इन विलायकों को अलग-अलग प्रकार के स्पंज के रूप में सोचें:

हेक्सेन (Hexane): एक गैर-ध्रुवीय (non-polar) स्पंज (एक सूखे, तैलीय कपड़े की तरह)।
एसिटोन (Acetone): एक मध्यम-ध्रुवीय (medium-polar) स्पंज।
इथेनॉल (Ethanol): एक अत्यधिक ध्रुवीय (highly polar) स्पंज (एक सुपर-अवशोषक कपड़े की तरह)।

उन्होंने दो विधियों का परीक्षण किया: पुराना "सोक्सलेट" (Soxhlet) तरीका (जो एक धीमी, निरंतर टपकने वाली कॉफी मशीन की तरह है जो घंटों चलती है) और एक नया, तेज़ तरीका जिसे डायनेमिक मैसेरेशन (Dynamic Maceration) कहा जाता है (जो चुंबकीय स्टिरर के साथ विलायक के जार में बीजों को हिलाने जैसा है)।

यहाँ बड़ा खुलासा है: ध्रुवीयता (Polarity) मायने रखती है। विलायक जितना अधिक "ध्रुवीय" होता, वह उतना ही अधिक तेल खींच पाता। इथेनॉल सुपरस्टार रहा। जब उन्होंने धीमे सोक्सलेट तरीके का इथेनॉल के साथ उपयोग किया, तो उन्हें 49.938% की भारी पैदावार मिली। तेज़ हिलाने वाले तरीके (डायनेमिक मैसेरेशन) के साथ भी, इथेनॉल विजेता रहा, जिसने कमरे के तापमान (20°C) पर 17.44% और तापमान को 50°C तक गर्म करने पर 19.197% तेल निकाला।

इसके विपरीत, गैर-ध्रुवीय हेक्सेन बहुत कमजोर था। 20°C पर, यह केवल 9.787% ही निकाल पाया। लेकिन, टीम ने पाया कि गर्मी एक गुप्त हथियार है। जब उन्होंने गर्मी बढ़ाई तो हेक्सेन का प्रदर्शन उछलकर 12.494% हो गया। यह शहद को गर्म करने जैसा है; यह बेहतर तरीके से बहता है और बीजों के अंदर तेज़ी से पहुँचता है।

आभासी क्रिस्टल बॉल (The Virtual Crystal Ball)
अब, यहाँ मामला और भी दिलचस्प हो जाता है। शोधकर्ताओं ने केवल जार मिलाने का काम नहीं किया; वे भविष्य की भविष्यवाणी करना चाहते थे। उन्होंने यह अनुमान लगाने के लिए कि तेल कितनी तेज़ी से बाहर आएगा, कोम्सोल मल्टीफिजिक्स (Comsol Multiphysics) नामक एक शक्तिशाली कंप्यूटर प्रोग्राम का उपयोग करके तीन अलग-अलग गणितीय "क्रिस्टल बॉल" (मॉडल) बनाए।

पहला क्रिस्टल बॉल (एम्पिरिकल मॉडल 1): एक सरल सूत्र जिसने अनुमान लगाया कि तेल शुरू में तेज़ी से निकलेगा और फिर धीमा हो जाएगा।
दूसरा क्रिस्टल बॉल (एम्पिरिकल मॉडल 2): एक थोड़ा अलग सूत्र जिसने भी निष्कर्षण की गति का अनुमान लगाया।
तीसरा क्रिस्टल बॉल (सिंगल स्फीयर मॉडल): यह सबसे विस्तृत था। इसने प्रत्येक बीज के कण की कल्पना एक छोटे, आदर्श गोले के रूप में की। इसने बीज से तेल के बाहर निकलने को एक गर्म गोले से ठंडी हवा में गर्मी के ठंडा होने की तरह माना। इसने माना कि तेल बीज के अंदर समान रूप से फैला हुआ है और उसे बाहर निकलने के लिए केवल "डिफ्यूज" (भटकने) की आवश्यकता है।

क्या क्रिस्टल बॉल्स ने काम किया?
टीम ने अपने कंप्यूटर के अनुमानों की तुलना लैब में प्राप्त वास्तविक परिणामों से की। परिणाम आश्चर्यजनक रूप से करीब थे! कंप्यूटर और वास्तविकता के बीच औसत त्रुटि बहुत कम थी (औसत पूर्ण सापेक्ष विचलन 0.11 का था)।

इसका मतलब है कि मॉडल विश्वसनीय थे। हालाँकि, "सिंगल स्फीयर मॉडल" (जिसने बीजों को ठंडा होने वाले गोलों की तरह माना) तीनों में से सबसे सटीक था, हालांकि तीनों ने अच्छा काम किया। कंप्यूटर सिमुलेशन ने इस बात की भी पुष्टि की कि जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, "प्रभावी विसरणशीलता" (effective diffusivity - तेल के घूमने की गति) बढ़ जाती है। उदाहरण के लिए, हेक्सेन के साथ, तेल 50°C पर (2.804E-18 m²/s) 20°C (1.897E-18 m²/s) की तुलना में अधिक तेज़ी से चला।

गुणवत्ता की जाँच
अंत में, उन्होंने निकाले गए तेल के "स्वास्थ्य" की जाँच की। उन्होंने चीजों को मापा जैसे कि इससे कितना साबुन बनाया जा सकता है (सैपोनिफिकेशन वैल्यू) और इसमें कितना मुक्त एसिड मौजूद है (एसिड वैल्यू)। अच्छी खबर? सभी तेल, चाहे वे तेज़ हिलाने वाले तरीके से निकाले गए हों या धीमी टपकने वाली विधि से, खाद्य और सौंदर्य प्रसाधन सुरक्षा जाँचों में पास हो गए। उनके एसिड और पेरोक्साइड मान कम थे, जिसका अर्थ है कि वे ताज़ा और उच्च गुणवत्ता वाले थे।

मुख्य निष्कर्ष (The Bottom Line)
यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता कि इसने दुनिया की तेल समस्याओं को हल कर दिया है, बल्कि यह दिखाता है कि डायनेमिक मैसेरेशन, विशेष रूप से यदि आप इथेनॉल जैसे ध्रुवीय विलायक का उपयोग करते हैं और शायद थोड़ी गर्मी देते हैं, तो अरंडी का तेल प्राप्त करने का एक व्यवहार्य, तेज़ तरीका है। यह यह भी सिद्ध करता है कि आप कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके बिल्कुल सटीक भविष्यवाणी कर सकते हैं कि यह प्रक्रिया कैसे काम करती है, जिससे लैब में समय और पैसा बचता है। "सिंगल स्फीयर" मॉडल सबसे अच्छा उपकरण है जो उन्होंने बीज और विलायक के बीच इस नृत्य की भविष्यवाणी करने के लिए पाया, लेकिन अन्य दो मॉडल भी उपयोगी सहायक बने हुए हैं।

तकनीकी सारांश: अरंडी के बीजों से तेल तक: तेल निष्कर्षण का प्रयोगात्मक अंतर्दृष्टि और मॉडलिंग

समस्या विवरण
वनस्पति तेलों, जिनमें अरंडी का तेल भी शामिल है, में महत्वपूर्ण पोषण संबंधी और उपचारात्मक मूल्य होता है, फिर भी उनकी गुणवत्ता और प्रभावकारिता काफी हद तक उपयोग की जाने वाली निष्कर्षण विधि पर निर्भर करती है। जबकि यांत्रिक दबाव (mechanical pressing) और पारंपरिक विलायक निष्कर्षण (जैसे सोक्सलेट) स्थापित तकनीकें हैं, तेल की गुणवत्ता बनाए रखते हुए दक्षता में सुधार करने, लागत कम करने और दक्षता बढ़ाने के लिए निष्कर्षण प्रक्रियाओं को अनुकूलित करने की आवश्यकता है। विशेष रूप से, गतिशील मैसेरेशन (dynamic maceration)—एक ऐसी तकनीक जिसमें द्रव्यमान स्थानांतरण प्रतिरोध (mass transfer resistance) को कम करने के लिए उत्तेजना (agitation) के तहत पादप सामग्री को विलायक में भिगोया जाता है—का उपयोग अरंडी के तेल निष्कर्षण के लिए पहले कभी नहीं किया गया था। इसके अलावा, इस विशिष्ट प्रक्रिया की गतिशीलता (kinetics) का सटीक अनुमान लगाने में सक्षम प्रमाणित गणितीय मॉडलों का अभाव है ताकि स्केल-अप और प्रक्रिया अनुकूलन को सुगम बनाया जा सके।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में अरंडी के तेल के निष्कर्षण की जांच के लिए एक संयुक्त प्रयोगात्मक और संख्यात्मक दृष्टिकोण का उपयोग किया गया।

प्रयोगात्मक सेटअप: पिसे हुए अरंडी के बीजों (औसत व्यास 0.991 मिमी, नमी 5.59%) को तीन विलायकों (हेक्सेन, एसीटोन और इथेनॉल) का उपयोग करके दो तापमानों (20°C और 50°C) पर एक बैच सिस्टम में चुंबकीय स्टिरिंग (375 rpm) के साथ निकाला गया। निष्कर्षण की उपज (yields) की निगरानी 75 मिनट तक की गई। तुलनात्मक उद्देश्यों के लिए, एक पारंपरिक सोक्सलेट निष्कर्षण भी किया गया।
भौतिक-रासायनिक विश्लेषण: खाद्य और सौंदर्य प्रसाधन मानकों का अनुपालन सुनिश्चित करने के लिए निकाले गए तेलों का सापोनिफिकेशन वैल्यू (SV), एसिड वैल्यू (AV), पेरोक्साइड वैल्यू (PV) और एस्टर वैल्यू (EV) के लिए लक्षण वर्णन किया गया।
मॉडलिंग दृष्टिकोण: कोम्सोल मल्टीफिजिक्स (COMSOL Multiphysics) सॉफ्टवेयर का उपयोग करके प्रायोगिक काइनेटिक डेटा को फिट करने के लिए तीन गणितीय मॉडलों का मूल्यांकन किया गया:
1. प्रथम अनुभवजन्य मॉडल (First Empirical Model): नायक एट अल. पर आधारित, जिसे घातांकीय फलन ( $Y = Y_{\infty}(1 - e^{-kt})$ ) द्वारा वर्णित किया गया है।
2. द्वितीय अनुभवजन्य मॉडल (Second Empirical Model): माफरात और बेलियर्ड पर आधारित, जिसे एक परिमेय फलन ( $Y = Y_{\infty}(\frac{t}{b+t})$ ) द्वारा वर्णित किया गया है।
3. घटनात्मक मॉडल (Phenomenological Model - सिंगल स्फीयर मॉडल): एक विसरण-आधारित (diffusion-based) मॉडल जो बीज के कण को एक गोले के रूप में मानता है जहाँ आंतरिक विसरण प्रक्रिया को नियंत्रित करता है। इस मॉडल ने प्रभावी विसरणशीलता ( $D_e$ ) और द्रव्यमान स्थानांतरण गुणांक ( $k_f$ ) को हल करने के लिए शेर्वड (Sherwood), रेनॉल्ड्स (Reynolds) और श्मिट (Schmidt) संख्या सहसंबंधों का उपयोग किया।

प्रमुख योगदान

प्रथम अनुप्रयोग: यह कार्य विशेष रूप से अरंडी के तेल निष्कर्षण के लिए गतिशील मैसेरेशन के पहले रिपोर्ट किए गए अनुप्रयोगों में से एक है।
मॉडल सत्यापन: अध्ययन ने इस विशिष्ट प्रणाली के लिए तीन अलग-अलग काइनेटिक मॉडलों (दो अनुभवजन्य और एक घटनात्मक) का सफलतापूर्वक मूल्यांकन और सत्यापन किया।
पैरामीटर अनुकूलन: शोध ने इष्टतम मॉडल मापदंडों को निर्धारित किया, जिसमें विभिन्न विलायक ध्रुवीयता (solvent polarities) और तापमानों में अनुभवजन्य मॉडलों के लिए दर स्थिरांक और सिंगल स्फीयर मॉडल के लिए प्रभावी विसरणशीलता मान शामिल हैं।

परिणाम

निष्कर्षण उपज: सोक्सलेट विधि ने उच्चतम तेल रिकवरी प्रदान की। गतिशील मैसेरेशन स्थितियों के बीच, इथेनॉल (एक ध्रुवीय विलायक) ने उच्चतम उपज दी: 20°C पर 17.44% और 50°C पर 19.197%, जबकि हेक्सेन (गैर-ध्रुवीय) की तुलना में, जिसने क्रमशः 9.787% और 12.494% उपज दी। हेक्सेन (गैर-ध्रुवीय) की तुलना में ध्रुवीय विलायकों (इथेनॉल, एसीटोन) के साथ उच्च निष्कर्षण उपज देखी गई, जिसका श्रेय गैर-ट्राइग्लिसराइड घटकों और रंगद्रव्य पदार्थों के निष्कर्षण को दिया जाता है।
तापमान प्रभाव: तापमान को 20°C से बढ़ाकर 50°C करने से सभी विलायकों के लिए निष्कर्षण उपज और दर दोनों में सुधार हुआ। उदाहरण के लिए, हेक्सेन की उपज 9.787% से बढ़कर 12.494% हो गई। यह विलायक की श्यानता (viscosity) और सतह तनाव में कमी के कारण है, जिससे प्रवेश और द्रव्यमान स्थानांतरण में वृद्धि होती है।
मॉडल प्रदर्शन: तीनों मॉडलों ने प्रायोगिक डेटा की भविष्यवाणी करने में उचित सटीकता प्रदर्शित की, जिसका समग्र औसत पूर्ण सापेक्ष विचलन (AARD) 0.11 था।
- द्वितीय अनुभवजन्य मॉडल ने 0.10 का औसत AARD दिखाया।
- सिंगल स्फेयर मॉडल ने भी 0.11 का औसत AARD प्राप्त किया।
- प्रथम अनुभवजन्य मॉडल का औसत AARD थोड़ा अधिक 0.11 (विशेष रूप से 20°C पर इथेनॉल के लिए 0.1210) था।
विसरणशीलता रुझान: प्रभावी विसरणशीलता ( $D_e$ ) तापमान के साथ बढ़ी (उदाहरण के लिए, हेक्सेन $D_e$ $1.897 \times 10^{-18}$ से बढ़कर $2.804 \times 10^{-18} m^2/s$ हो गई) लेकिन विलायक ध्रुवीयता बढ़ने के साथ कम हो गई।
तेल की गुणवत्ता: भौतिक-रासायनिक विश्लेषण ने संकेत दिया कि निकाले गए तेल खाद्य और सौंदर्य प्रसाधन अनुप्रयोगों के लिए कोडेक्स एलीमेंटेरियस (Codex Alimentarius) और ASTM मानदंडों को पूरा करते हैं, जिनकी विशेषता निम्न एसिड और पेरोक्साइड मान लेकिन उच्च सापोनिफिकेशन और एस्टर मान है।

महत्व और दावे
लेखक दावा करते हैं कि यह अध्ययन मैसेरेशन प्रक्रियाओं से निपटने के लिए विशुद्ध रूप से मॉडलिंग दृष्टिकोण का उपयोग करने की व्यवहार्यता को प्रदर्शित करता है, जो अध्ययन के समय और लागत को कम करने के लिए मूल्यवान कम्प्यूटेशनल उपकरण प्रदान करता है। शोध पुष्टि करता है कि अरंडी के तेल के निष्कर्षण के लिए गतिशील मैसेरेशन एक व्यवहार्य विधि है, जिसका प्रदर्शन विलायक ध्रुवीयता और तापमान से सकारात्मक रूप से प्रभावित होता है। हालांकि तीनों मॉडलों को विश्वसनीय माना गया, लेखक विनम्रतापूर्वक सुझाव देते हैं कि निष्कर्षण गतिकी का वर्णन करने के लिए "सिंगल स्फेयर" मॉडल दो अनुभवजन्य मॉडलों की तुलना में थोड़ा बेहतर प्रतीत हुआ। निष्कर्षों को अरंडी के तेल के लिए अधिक कुशल और लागत प्रभावी निष्कर्षण विधियों के विकास में एक योगदान के रूप में प्रस्तुत किया गया है।

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