Кинетические и равновесные параметры сорбции эритромицина на различных сорбентах

ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

Кинетические и равновесные параметры сорбции эритромицина на различных сорбентах

Н. В. КОТОВА

ГОУ ВПО Санкт-Петербургская государственная химико-фармацевтическая академия, Санкт-Петербург

Kinetic and Equilibrium Parameters of Erythromycin Sorption on Various Sorbents

N. V. KOTOVА

St.Petersburg State Chemico-Pharmaceutical Academy, St.Petersburg

Подобраны оптимальные условия проведения процесса сорбции эритромицина на сверхсшитых изопористых сорбентах фирмы «Пьюролайт» (стиросорбы) С-106 , С-150, С-160 и макропористом сульфокатионите КУ-23. Показано, что процесс сорбции эритромицина на сверхсшитом изопористом катионите С-106 проходит с большой избирательностью, о чем свидетельствует высокий коэффициент распределения. Эффективный коэффициент диффузии на катионите С-106 на два порядка выше, чем на катионитах С-150, С-160, КУ-23 и составляет 1,1X10'“ м2/с, что говорит о сравнительно высокой скорости диффузионного процесса.

Ключевые слова: эритромицин, сорбция, сверхсшитые изопористые катиониты.

Optimal conditions for erythromycin sorption on supercoupled isoporous Purolight sorbents (styrosorbs) S-106, S-150 and S-160 and on macroporous sulfocation exchanger KU-23 were determined. High selectivity of erythromycin sorption on the supercoupled isoporous cation exchanger S-106 was shown, that was evident from the high distribution coefficient. The effective diffusion coefficient on the cation exchanger S-106 was higher by a factor of 102 (1.1X10-11 m2/s) that was in favour of a comparatively high diffusion rate.

Key words: erythromycin, sorption, supercoupled isoporous cation exchangers.

В настоящее время проблема резистентности и роста аллергических реакций к традиционно применяемым антибиотикам (пенициллины, це-фалоспорины) стоит очень остро. Общая стратегия в борьбе с антибиотикорезистентностью заключается в том, чтобы последовательно заменять одни препараты другими, а через определенное время возвращать в практику старые препараты. Поэтому для реализации принципа цикличности необходимо получать новые антибиотики с другим механизмом действия, а также использовать трансформацию уже известных [1].

В последние годы при лечении воспалительных заболеваний в качестве эффективной альтернативы пенициллинам и цефалоспоринам всё шире применяются макролидные антибиотики. Особый интерес представляет эритромицин (антибиотик с широким антибактериальным спектром действия и очень низкой токсичностью), так

© Н. В. Котова, 2009

Адрес для корреспонденции: 197376 Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 14. Санкт-Петербургская государственная химико-фармацевтическая академия

как на его основе получают новые полусинтети-ческие антибиотики с улучшенными физико-химическими и биологическими свойствами — ази-тромицин (2Игошах), кларитромицин (К1ас1ё) и рокситромицин (ЯиИёе) [2, 3].

В настоящее время эритромицин получают методом многостадийной экстракции с использованием большого количества токсичных органических растворителей, что экологически небезопасно и экономически невыгодно. Поэтому существует необходимость создания эффективного технологического метода выделения и очистки антибиотика из нативного раствора, каким является сорбционный метод [4, 5].

Эффективность ионообменных процессов выделения и очистки, связанная с возможностью получения высокоочищенных концентрированных элюатов, определяется как равновесными, так и кинетическими факторами.

Целью работы явилось изучение данных факторов для выделения эритромицина на сорбентах нового типа фирмы Пьюролайт [6] и известных их аналогах.

-е-

Материал и методы

В качестве объектов исследований были выбраны сверх-сшитые изопористые сорбенты фирмы «Пьюролайт» (стиро-сорбы) С-106 (карбоксильный катионит), С-150, С-160 (суль-фокатиониты) и макропористый сульфокатионит КУ-23.

Исследования по изучению зависимости сорбции антибиотика на данных катионитах от рН раствора проводились в статических условиях на модельных растворах с активностью эритромицина — 1200 ЕД/мл, концентрацией сорбента 2 мг/мл при рН растворов от 3 до 10. Процесс осуществлялся на установке «Министат» при комнатной температуре до установления равновесия.

Аналогично проводились эксперименты по определению зависимости ёмкости сорбции от концентрации катионитов. Процесс сорбции изучался при активности модельного раствора эритромицина 1200 ЕД/мл, при рН 6,0 с концентрацией сорбентов 1, 2, 3, 4 и 5 мг/мл.

Определение лимитирующей стадии процесса сорбции осуществлялось методом «прерывания» контакта фаз, изучением влияния на кинетику скорости перемешивания и анализом формы кинетических кривых.

Активность эритромицина определялась калориметрическим методом [7].

Результаты и обсуждение

Для выбора оптимальных условий проведения процесса сорбции эритромицина на вышеуказанных катионитах были проведены исследования по изучению зависимости ёмкости сорбции от рН раствора и концентрации сорбентов.

Показано, что оптимальными условиями проведения процесса сорбции являются значения рН 6,0 и концентрация сорбентов 2,0 мг/мл.

Для количественной характеристики равновесного распределения ионов эритромицина между фазами исследуемых катионитов и раствором были получены изотермы сорбции и рассчитаны коэффициенты распределения. На рис. 1 представлены изотермы сорбции эритромицина на исследуемых сорбентах (для удобства пользования размерности на графиках даны не в системе СИ).

Как видно из рис. 1, изотермы сорбции эритромицина на катионитах КУ-23, С-160, С-150, С-106 имеют вид кривых с насыщением, аналогичный изотермам Ленгмюра. Такой вид изотерм позволяет говорить о статистическом распределении молекул антибиотиков на доступных центрах сорбента, при этом сорбируемые молекулы не оказывают взаимного влияния. Изотерма сорбции на сорбенте С-106 приближается к прямоугольной, что свидетельствует о высокой избирательности процесса.

На основании полученных экспериментальных данных были рассчитаны коэффициенты

Таблица 1. Равновесные параметры сорбции эритромицина на различных сорбентах

Антибиотик Сорбент Кд, м3/кг

Эритромицин С-106 96±2

КУ-23 36±2

С-150 11±2

С-160 31±2

Рис. 1. Изотермы сорбции эритромицина на различных сорбентах.

По оси абсцисс — равновесная концентрация эритромицина в растворе, ЕД/мл; по оси ординат — равновесная концентрация эритромицина в сорбенте, ЕД/мг.

распределения антибиотика (Ки) между фазами сорбента и раствора, которые представлены в табл. 1.

Показано, что процесс сорбции эритромицина на катионите С-106 проходит с большой избирательностью, о чём свидетельствует высокий коэффициент распределения (К^=96 м3/кг), который в 3 раза превышает полученные значения на катионитах КУ-23, С-160, С-150.

Исследование равновесных закономерностей сорбции является необходимым, но недостаточным условием построения высокоэффективного сорбционного процесса. При разработке методов выделения и очистки органических веществ возникают значительные трудности из-за небольшой скорости установления равновесия. Это определяется замедленной диффузией большинства БАВ с большой молекулярной массой в сорбционной среде. В связи с этим нельзя не учитывать вклад кинетического фактора.

Для оценки характера диффузии, определяющей скорость ионообменного процесса, были изучены влияние интенсивности перемешивания раствора и прерывания контакта фаз на кинетику сорбции эритромицина, а также форма кинетических кривых. Изменение скорости вращения мешалки в пределах от 180 до 700 об/мин практически не влияет на кинетику ионного обмена. Это свидетельствует о том, что лимитирующей стадией про-

ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

Рис. 2. Кинетика сорбции эритромицина на различных сорбентах с прерыванием контакта фаз.

По оси абсцисс t — время, с; по оси ординат F — степень достижения равновесия. Время прерывания контакта фаз — 2 часа.

Рис. 3. Скорость сорбции эритромицина на различных катионитах.

По оси абсцисс ^ — время, с; по оси ординат F — степень достижения равновесия.

цесса является диффузия ионов внутри зерна ионита (гелевая кинетика). Этот вывод подтверждается данными экспериментов с прерыванием и возобновлением контакта ионита и раствора (рис. 2). Ионообменный процесс прерывался на 2 ч путём отделения фазы раствора от фазы ионита. Увеличение скорости обмена при восстановлении контакта фаз свидетельствует о значительном вкладе внутридиффузионной кинетики в механизм обмена эритромицина на исследуемых сорбентах и линейной зависимостью Б от У? для начальных участков кинетических кривых (рис. 3). _

Расчёт коэффициентов диффузии (?) проводился 2 способами:

1. По наклону начального прямолинейного участка кинетических кривых

Б от У? (рис. 3):

?=А •

где А — числовой коэффициент, зависящий от формы сорбента.

А^ = п/144

ёч — диаметр частиц сорбента, м.

2. С использованием уравнения Паттерсона, которое для ионного обмена имеет вид:

г= =,———• У

300 =1

где Б — степень обмена, в процентах или долях; Qt — количество сорбированного антибиотика за время ^ ЕД; Qoo — количество сорбированного антибиотика при равновесии, ЕД;

а = — —/с V

где ~с — — предельно достижимое количество антибиотика в данной навеске сорбента, ЕД; с V — количество антибиотика в данном объёме исходного раствора, ЕД; 8П — корни трансцендентного уравнения;

£ • с&п = 1 + S22/3а

т — безразмерный параметр времени,

т =

I — коэффициент диффузии, м2/с; ї — время контакта раствора с ионитом, с; г0 — радиус набухшей смолы, м.

Расчётные значения коэффициентов диффузии представлены в табл. 2.

Исследование кинетики процесса сорбции эритромицина на сорбентах КУ-23, С-106, С-160,

Таблица 2. Коэффициенты внутренней диффузии для различных сорбентов

Антибиотик Сорбент I, м2/с

Эритромицин КУ-23 (4,5±0,2)Ч0-13 (6,2±0,2)Ч0-13

С-106 (1,16+0,1)40-“ (1,1+0,1)40-“

С-150 (4,7±0,2)«10-14 (3,2+0,2)Ч0-14

С-160 (2,03±0,1)Ч0-13 (2,1+0,1)Ч0-13

С-150 показало, что расчётные и графические значения коэффициентов диффузии сопоставимы. Эффективный коэффициент диффузии на сорбенте фирмы Пьюролайт С-106 на два порядка выше, чем на остальных катионитах и составляет 1,1 х 10-11 м2/с, что говорит о сравнительно высокой скорости диффузионного процесса. Вероятно, благодаря нетрадиционному способу синтеза сти-росорбов возникновение локальных внутренних напряжений в набухшей сетке минимально.

Таким образом, высокая избирательность и скорость диффузионного процесса сорбции эритромицина на сорбенте нового типа фирмы Пьюро-лайт С-106 дает возможность считать его перспективным для применения в процессе выделения и очистки вышеуказанного антибиотика.

Выводы

1. Подобраны оптимальные условия проведения процесса сорбции эритромицина на сверх-сшитых изопористых сорбентах фирмы «Пьюролайт» (стиросорбы) С-106, С-150, С-160 и макропористом сульфокатионите КУ-23.

2. Показано, что процесс сорбции эритромицина на сверхсшитом изопористом катионите С-106 проходит с большой избирательностью, о чём свидетельствует высокий коэффициент распределения.

3. Эффективный коэффициент диффузии на сверхсшитом изопористом катионите С-106 на два порядка выше, чем на катионитах, и составляет 1,1х 10-11 м2/с, что говорит о сравнительно высокой скорости диффузионного процесса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Козлов Р. С. Антибиотикорезистентность Streptococcus pneumoniae в России в 1999—2005 гг.: Результаты многоцентровых исследований ПеГАС-I и ПеГАС-II./ Р. С. Козлов, О. В. Сивая, К. В. Шпынев и др. Клин микробиол антимикроб химиотер 2006; 8: 1: 33—47.

2. Макролиды / Под ред. А. М. Попковой, А. Л. Верткина, С. В. Колобова. М.: 2000; 215.

3. Сазыкин Ю. О., Иванов В. П., Салова Т. В. Кетолиды — производные эритромицина с активностью против макролидорезистент-ных бактерий. Антибиотики и химиотер 2000; 45: 2: 3—4.

Гаркушина И. С., Ежова Н. М., Тощевикова А. Ю., Писарев О. А. Особенности взаимодействия эритромицина с сетчатыми полиэлектролитами различной структуры. Структ динам мол сис 2003; X: 2: 202—204.

Золоторев П. П. и др. Развитие бидисперсной сорбционно-кинетической модели микронеоднородных сред. ЖФХ 1996; 70: 4: 583—590.

Белякова Л. Д., Василевская О. В., Цюрупа М. П., Даванков В. А. Адсорбционные и хроматографические свойства полимерных сорбентов типа «Стиросорб». Там же 1995; 4: 696—700.

Корчагин В. Б., Семенова С. М., Савушкина Л. Н. Колориметрический метод определения эритромицина. Антибиотики. 1961; 4: 311—314.

-Q-