Thesis:

Measurement and modeling of solid biochanin a solubility in pure and ethanol-modified supercritical CO2

The extraction of high-value bioactive compounds such as biochanin A requires sustainable technologies like Supercritical Fluid Extraction (SCFE) using carbon dioxide (CO₂). However, process design depends on reliable phase equilibrium data, which has not previously been available for the biochanin A + SC-CO₂ system. This thesis experimentally measures, validates, and thermodynamically models the solid-fluid phase equilibrium of biochanin A in supercritical CO₂. Solubility was measured using a dynamic-analytical isothermal method with a high-pressure view cell and HPLC quantification at 313.15, 323.15, and 333.15 K over pressures from approximately 10 to 32 MPa. Data reliability was assessed through uncertainty analysis, the Méndez-Santiago and Teja self-consistency model, and the Valderrama and Zavaleta thermodynamic consistency test. Measured solubilities ranged from 0.43 × 10⁻⁶ to 7.89 × 10⁻⁶ mol·mol⁻¹ and exhibited a maximum between 14 and 16 MPa, followed by a sharp decline. NMR analysis confirmed that this behavior resulted from pressure-induced self-association of biochanin A into hydrogen-bonded dimers, reducing its solubility in the supercritical phase. The SAFT-VR Mie Equation of State reproduced solid-liquid equilibrium data accurately but failed to describe the SC-CO₂ system when only monomers were considered, demonstrating that explicit treatment of the monomer-dimer equilibrium is essential. Simulations also showed that ethanol as a cosolvent significantly enhances biochanin A solubility by disrupting self-association. This work provides the first high-pressure solubility data for biochanin A in supercritical CO₂ and establishes a basis for modeling self-associating solutes in SCFE process design.

Resumen: La extracción de compuestos bioactivos de alto valor, como la biochanina A, requiere métodos sostenibles y eficientes, entre los que destaca la extracción con fluidos supercríticos (SCFE) utilizando dióxido de carbono (CO₂). Sin embargo, el diseño de estos procesos demanda datos confiables de equilibrio de fases, los cuales actualmente no están disponibles para el sistema biochanina A + CO₂ supercrítico. Esta tesis tiene como objetivo medir experimentalmente, validar y modelar termodinámicamente el equilibrio sólido-fluido de la biochanina A en CO₂ supercrítico a temperaturas cercanas a la ambiente. Las mediciones de solubilidad se realizaron mediante un método isotérmico dinámico-analítico con una celda de visualización de alta presión y cuantificación por cromatografía líquida de alta resolución (HPLC). Los datos se obtuvieron en tres isotermas (313,15; 323,15 y 333,15 K) y en un rango de presión de aproximadamente 10 a 32 MPa. La confiabilidad de las mediciones se evaluó mediante estimaciones de incertidumbre expandida combinada, el modelo de autoconsistencia de Méndez-Santiago y Teja (MS-T) y la prueba de consistencia termodinámica de Valderrama y Zavaleta. Las fracciones molares experimentales de biochanina A variaron entre 0,43∙10⁻⁶ y 7,89∙10⁻⁶ mol·mol⁻¹. Las isotermas revelaron un comportamiento anómalo, caracterizado por un máximo de solubilidad entre 14,0 y 16,0 MPa, seguido de una disminución abrupta. El análisis por resonancia magnética nuclear confirmó la ausencia de degradación estructural, indicando que este fenómeno se debe a la autoasociación del soluto. A altas presiones, la reducción del volumen libre favorece la formación de dímeros mediante enlaces de hidrógeno, lo que disminuye la volatilidad de la biochanina A y reduce su presencia en la fase supercrítica. La ecuación de estado SAFT-VR Mie se empleó para correlacionar el equilibrio de fases. Aunque el modelo monomérico reprodujo adecuadamente datos de equilibrio sólido-líquido (AARD = 4,53 %), no logró describir el comportamiento en CO₂ supercrítico (AARD = 160,37 %), evidenciando la necesidad de considerar explícitamente el equilibrio monómero-dímero. Finalmente, el modelado termodinámico mostró que la adición de etanol como cosolvente incrementa significativamente la solubilidad al reducir la autoasociación. Este trabajo proporciona nuevos datos de solubilidad a alta presión para la biochanina A en CO₂ supercrítico y establece una base para el diseño futuro de procesos de extracción con fluidos supercríticos.