Перстрация — это процесс мембранной экстракции, в котором две жидкие фазы контактируют через мембрану. Желаемые виды в исходном материале (растворенное вещество) избирательно пересекают мембрану в экстрагирующий раствор. Перстрация была первоначально разработана для преодоления недостатков экстракции жидкость-жидкость , например, токсичности экстрагента и образования эмульсии. Перстрация применялась во многих областях, включая ферментацию, [1] очистку сточных вод [2] и производство безалкогольных напитков.
Перстрация — это метод разделения, разработанный на основе экстракции жидкость-жидкость. Благодаря наличию мембраны можно использовать более широкий выбор экстрагентов, включая использование смешивающихся растворов, например, восстановление аммиака из сточных вод с использованием серной кислоты. [3]
Этот процесс в некотором роде аналогичен первапорации . Но пермеат находится в жидкой фазе. Метод перстракции полностью устраняет проблему дисперсии и разделения фаз. [4]
Базовая перстрация называется одиночной перстрацией или мембранной перстрацией. Преимуществом является минимизация токсического повреждения микроорганизмов или ферментов . Тем не менее, перстрация включает в себя такие проблемы, как дорогостоящие мембраны, засорение и загрязнение мембран. [5]
Перстрация была объединена с ферментацией ABE (ацетон бутанол этанол) для производства бутанола. [1] Бутанол токсичен для ферментации, поэтому перстрация может применяться для удаления бутанола из непосредственной близости от бактерий, как только он производится. Жидкостно-жидкостная экстракция (LLE) была объединена с ферментацией ABE для извлечения продукта in situ, но экстрагенты с самым высоким сродством к бутанолу, как правило, токсичны для бактерий. Применение LLE также потребовало бы стерилизации экстрагента перед контактом с ферментационным бульоном. Перстрация может преодолеть эти проблемы благодаря мембране, отделяющей ферментационный бульон от экстрагента. Поскольку метод извлечения продукта in situ для ферментации ABE, перстрация все еще находится на стадии разработки.
Мембрана приносит много новых элементов для разделения. Аминокислоты были разделены путем перстрации. [6] [7] Мембраны не только разделяли экстрагенты и первичный раствор, но также были селективны для аминокислот. Использовались заряженные мембраны. Поэтому они отбирали аминокислоты по pKa. Кроме того, на селективность мембраны влияют ее толщина, диаметр пор и потенциал заряда. Чем больше поры, тем лучше аминокислоты проникают через мембрану. Чем выше потенциал заряда, тем больше эффекты электростатического отталкивания. Чем тоньше мембрана, тем менее она селективна.
Загрязнители могут быть удалены из грунтовых вод путем извлечения. [8] Были запатентованы различные технологии. [9] Самая старая из них была опубликована в 1990 году, а самая новая — в 1998 году. В 2000-х годах было подано несколько патентных заявок, но ни одного патента не было выдано. [10]
Органические соединения через мембрану были сконцентрированы из грунтовых вод. [8] Фактор концентрации составляет от 1 000 до 10 000, что приводит к концентрации 0,1 ppb в диапазоне от 0,1 до 1,0 ppm. Кроме того, концентрация загрязняющего вещества анализировалась в режиме реального времени. Мембрана представляет собой полимер, такой как полисульфан. Диаметр отверстия составляет 300 мкм, а толщина — 30 мкм.
Фармацевтические препараты проходят через очистные сооружения. Они, как и конъюгаты эстрогена, могут вызывать проблемы. Лекарственные препараты исследования были распространены, присутствовали в водной среде и не могли быть адекватно удалены очистными сооружениями . [11] В исследовании было семь различных препаратов. Дибутилсебацинат и олеиновая кислота образовывали жидкие ядра в капсулах, поскольку они не диффундируют из капсул и имеют сродство к лекарственным препаратам. Внешний диаметр капсул составлял 740 мкм и 680 мкм, а внутренний диаметр — 570 мкм и 500 мкм. Перемешивание составляло 300 об/мин. Время достижения равновесия составляло 30, 50 и 90 минут.
Поскольку дибутилсебацинат и олеиновая кислота имели различное сродство к лекарственным препаратам, их использовали одновременно. [11] Четыре препарата эффективно экстрагировались в течение 40–50 минут (удалялось не менее 50%). Скорость экстракции существенно не менялась при скорости выше 150 об/мин. Толщина мембраны существенно не влияла на результат. Напротив, размер капсулы был замечательным для массопереноса.
Антибиотик под названием гелданамицин был отделен от среды путем капсулярной перстрации. [12] Гелданамицин является гидрофобным. Внешний диаметр частиц варьировался от менее 500 до 750 мкм. Альгинат образовывал оболочку капсулы, а ее толщина варьировалась от 30 до 90 мкм. Дибутилсебацинат или олеиновая кислота в качестве жидкого ядра хорошо экстрагировали гелданамицин. Чем больше перемешивание и тоньше мембрана капсулы, тем выше была скорость переноса.
Гелданамицин был извлечен из капсул путем обратного извлечения. [12] Капсулы дибутилсебацината были одноразовыми, поскольку жидкое ядро выходило из капсул при обратном извлечении. Напротив, олеиновая кислота оставалась в капсулах во время обратного извлечения, когда экстрагент был насыщен олеиновой кислотой. Тем не менее, присутствие олеиновой кислоты в растворе обратного извлечения требовало дополнительных этапов очистки (осаждение, центрифугирование и фильтрация). Олеиновую кислоту удаляли, поскольку она предотвращает кристаллизацию гелданамицина. Таким образом, гелданамицин кристаллизовался, и конечный продукт был высокоочищен.
Ферменты могут быть иммобилизованы на мембране капсулы. [6] В этом случае внешний диаметр капсулы составлял 500 мкм, а внутренний диаметр — 300 мкм. Продукт реакции, катализируемой ферментом, может быть сконцентрирован в капсулах, а ингибирование конечного продукта будет низким. [13] Рециркуляция фермента может быть выполнена путем обратной экстракции продукта. Этот метод был применен для гидролиза пенициллина G.
Осмос — процесс, при котором молекулы растворителя проникают между жидкостями, разделенными мембраной.