title: Φωτοχημική διάσπαση του αντιβιοτικού meropenem σε υδατικά διαλύματα
title: Photochemical degradation of the antibiotic meropenem in aqueous solutions
Creators: name: Κοσσυβακη Ευφροσυνη
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2019

description: Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη φωτοχημική διάσπαση σε υδατικά διαλύματα του αντιβιοτικού meropenem, που ανήκει στην κατηγορία των carbapenem, υπό την επίδραση υπεριώδους ακτινοβολίας με μήκος κύματος 254 nm (UV-C ακτινοβολία), απουσία και παρουσία του χημικού οξειδωτικού αντιδραστηρίου υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2) .
Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου (batch reactor), εργαστηριακής κλίμακας και χωρητικότητας 450 mL, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (23-25 °C) και το διάλυμα βρισκόταν σε επαφή με τον ατμοσφαιρικό αέρα. Δείγματα λαμβάνονταν για τον προσδιορισμό της υπολειμματικής συγκέντρωσης του meropenem.
Αρχικά πραγματοποιήθηκαν πειράματα συνεχούς ανάδευσης στο σκοτάδι για την πιθανή υδρόλυση του meropenem σε διαφορετικές τιμές pH, εντός του εύρους τιμών από 6 έως 9. Παρατηρήθηκε ότι η υδρόλυση του αντιβιοτικού μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα στην κλίμακα χρόνου των πειραμάτων ,αφού διαρκούσαν μόλις μερικά λεπτά ενώ η υδρόλυση ξεκινούσε μετά από περίπου μία ώρα. Επιπρόσθετα έλαβαν χώρα πειράματα για των υπολογισμό του φάσματος απορρόφησης του αντιβιοτικού σε διάφορες τιμές pH, συγκεκριμένα σε pH =6, 7 και 8, και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η τιμή του μοριακού συντελεστή απορρόφησης του meropenem είναι σχετικά υψηλή. Συγκεκριμένα, ο συντελεστής ε254nm για pH = 6.0 ήταν 3.4×103 L·mol–1·cm–1,για pH = 7.0 ήταν 3.2×103 L·mol-1·cm–1 και για pH=8.0 ήταν 2.9×103 L·mol–1·cm–1. Εξετάστηκε, επίσης, η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης του meropenem στην ταχύτητα της αντίδρασης πραγματοποιώντας πειράματα σε διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις, από 1 μmol/L-50 μmol/L. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι η ταχύτητα της αντίδρασης άμεσης φωτόλυσης της ουσίας δεν εξαρτάται από την αρχική της συγκέντρωση μέσα στο παραπάνω εύρος τιμών που εξετάστηκαν, δηλαδή η φωτοχημική της διάσπαση φαίνεται να ακολουθεί κινητική 1ης τάξης. Από τις σταθερές ταχύτητας της αντίδρασης πρώτης τάξης υπολογίστηκε η κβαντική απόδοση της άμεσης φωτόλυσης του αντιβιοτικού meropenem. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση του pH του διαλύματος στην άμεση φωτόλυση του meropenem και βρέθηκε ότι pH δεν επηρεάζει σημαντικά την άμεση φωτόλυση της ουσίας, εντός του εύρους των τιμών από 4,5,6,7 και 8. Εξετάστηκε και η επίδραση της υδατικής μήτρας (φρέσκα συνθετικά ούρα και συνθετικά λύματα ), όπου διαπιστώθηκε ότι η διάσπαση του αντιβιοτικού δεν επηρεάστηκε σημαντικά από την υδατική μήτρα. Από το σύνολο των πειραμάτων άμεσης φωτόλυσης που πραγματοποιήθηκαν έγινε φανερό ότι η διαδικασία ήταν αποδοτική, αφού μετά από ακτινοβόληση λίγων λεπτών το ποσοστό διάσπασης του meropenem ήταν υψηλότερο από περίπου 95%.
Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν αντίστοιχα πειράματα ακτινοβόλησης παρουσία του οξειδωτικού μέσου, δηλαδή του υπεροξειδίου του υδρογόνου (Η2Ο2), με εύρος συγκεντρώσεων οξειδωτικού από 0,1 mmol/L έως 2,0 mmol/L. Διαπιστώθηκε ότι, η φωτοχημική διάσπαση του meropenem κατά την έμμεση φωτόλυσή του ήταν καλύτερη και ταχύτερη, σε σύγκριση με την άμεση φωτόλυση, και ότι η βέλτιστη συγκέντρωση οξειδωτικού ήταν 1,25 mmol/L. Βρέθηκε επίσης ότι η συγκέντρωση του meropenem μειώνεται εκθετικά οπότε η φωτοχημική διάσπαση φαίνεται να ακολουθεί κινητική ψευδο-πρώτης τάξης. Επιπλέον, βρέθηκε ότι τα διαφορετικά pH των διαλυμάτων δεν επηρεάζουν σε σημαντικό βαθμό την έμμεση φωτόλυση της ουσίας, σε αντίθεση με τις υδατικές μήτρες οι οποίες επιβράδυναν τη διαδικασία επειδή τα διάφορα οργανικά και ανόργανα συστατικά τους κατανάλωσαν μέρος των φωτοδημιουργούμενων υδροξυλικών ριζών.
Τέλος υπολογίστηκε η ηλεκτρική ενέργεια EEO για τα πειράματα της επίδρασης του pH και της υδατικής μήτρας στην άμεση και στην έμμεση φωτόλυση, αλλά και στα πειράματα της επίδρασης της συγκέντρωσης του οξειδωτικού μέσου. Βρέθηκε ότι στην άμεση φωτόλυση οι τιμές της ενέργειας ήταν σχετικά υψηλές ,ενώ στην έμμεση σχετικά χαμηλές.
description: The present thesis describes the photochemical degradation of the antibiotic meropenem, which belongs to the category of carbapenem. The degradation took place in aqueous solutions with the use of ultraviolent (UV) radiation in the wavelength of 254 nm (UV-C radiation), with or without the presence of the chemical oxidizing reagent hydrogen peroxide (H2O2).
The experiments took place in a lab-scale batch reactor with a capacity of 450 mL, in ambient temperature (23-25 °C), with the solution being in contact with the atmospheric air. Samples were collected for the determination of the residual concentration of meropenem.
The laboratory work started with experiments of continuous mixing in the dark for the investigation of the hydrolysis of meropenem in different pH values between 6 and 9. From these experiments, it was noted that the hydrolysis of the antibiotic was negligible, since the experimental time was only some minutes, while the hydrolysis was starting after one hour. Moreover, experiments for the calculation of the absorbance spectra of the antibiotic in different pH values (pH = 6, 7 and 8) were conducted and the results showed that the molecular absorption coefficient of meropenem is relatively high. Specifically, ε254nm for pH = 6.0 was 3.4×103 L·mol–1·cm–1, for pH = 7.0 was 3.2×103 L·mol-1·cm–1 and for pH=8.0 was 2.9×103 L·mol–1·cm–1. Additionally, the effect of the initial concentration of meropenem in the reaction rate was tested by experiments with different initial concentrations: 1 μmol/L-50 μmol/L. The results showed that the rate of the reaction of the direct photolysis of the substance does not depend on the initial concentrations that were investigated, indicating that the photochemical degradation of meropenem follows first-order kinetics. From the rate constant of the first-order kinetics, the quantum yield of the direct photolysis of the antibiotic meropenem was calculated. The effect of the pH of the solution in the direct photolysis of meropenem was also studied, with results showing that the pH does not significantly affect the direct photolysis of the substances at the range of 4,5,6,7,8. Furthermore, the effect of the aqueous matrix (fresh synthetic urine and synthetic wastewater) was tested. It was found that the degradation of the antibiotic was not significantly affected by the aqueous matrix. From the direct photolysis experiments that were conducted, it was clear that it was an efficient process, as the concentration of meropenem was reduced by about 95% in only few minutes.
Additional irradiation experiments with the presence of the oxidizing agent hydrogen peroxide (Η2Ο2) were held in different initial concentrations: 0,1 mmol/L - 2,0 mmol/L. From these experiments, it can be noted that the photochemical degradation of meropenem during its indirect photolysis was better and faster, in comparison with the direct photolysis, and the optimum oxidant concentration was 1,25 mmol/L. It was also found that the concentration of meropenem decreased exponentially over time. It appears that the photochemical degradation of meropenem followed pseudo-first order kinetics. Furthermore, it was found that the different pH of the solutions do not significantly affect the indirect photolysis of the substance, unlike the aqueous matrix which reduced the rate of the reaction because their various organic and inorganic constituents consumed part of the photogenerated hydroxyl radicals.
 Finally, electric energy per order, EEO, was calculated for experiments of different pH and aqueous matrix in direct and indirect photolysis, and for experiments of different initial concentration of hydrogen peroxide. It was found that in direct photolysis EEO was relatively high, while in indirect was relatively low.