传统的药物净化是能源密集型的，并且使用有毒的溶剂，这些溶剂被丢弃，需要更可持续的方法。本研究采用离子液体的有机溶剂正向渗透法纯化四环素。结果表明，含不同浓度四环素的饲料溶液在甲醇中具有渗透富集作用。过滤过程中的溶剂通量主要受溶剂性质的影响，如分子大小、粘度、极性以及溶剂与膜的相互作用。我们蒸发了稀释后的拉拔溶液，以回收拉拔溶质以重复使用。整体离子液体是有机溶剂正向渗透富集、萃取溶质回收和再利用的合适萃取溶质。
在药物合成过程中，活性药物成分通常溶解在有机溶剂中(Rantanen和Khinast 2015)。因此，在有机溶剂中对药物化合物进行分离纯化是提高最终产品质量的必要条件。这些占制药行业设备投资和运营成本的一半以上(Wang et al. 2021)。活性药物分离具有特定的要求，因为(1)药物化合物大多对温度敏感，高温可能导致药物分解(Geens et al. 2007)，(2)由于制造过程的敏感性，该过程不应污染溶剂流(Grodowska and Parczewski 2010)。考虑到这些因素，膜技术因其低能耗和相变消除而受到关注(Gonzales et al. 2022a)。有机溶剂纳滤通常用于制药工业的有机溶剂应用，如有机溶剂回收和药物富集(Kato et al. 2021)。然而，这种方法有局限性，因为施加压力可能会导致额外的操作成本和膜污染。
正向渗透是一种渗透驱动的膜过程，它利用了提取液和进料液之间的盐度差异(Kaleekkal et al. 2022)。自发的溶剂从进料转移到穿过半透膜的提取溶液，有效地富集了进料并稀释了提取液。最近，有机溶剂正向渗透已成为制药行业的一种替代分离工艺(Zhou et al. 2020;Wei et al. 2021)。该工艺已被证明可以在进料侧浓缩药品，同时将有机溶剂输送到提取侧(Lively and Sholl 2017)。稀释后的提取液可以通过过滤、蒸馏和蒸发再生(Cui and Chung 2018)。与有机溶剂纳滤相比，有机溶剂正向渗透由于不施加压力而降低了污染倾向。此外，通过选择合适的拉伸溶质，可以产生足够的渗透压，这在压力驱动的膜工艺中是具有挑战性的，因为操作压力要求很高(Lively and Sholl 2017)。尽管有这些优点，有机溶剂正向渗透仍然是一个新兴的领域，有几个问题需要解决。例如，反向吸取溶质扩散和浓度极化是影响渗透性能的因素(Zhao and Zou 2011)。
正向渗透的一个主要挑战是可用的可再生溶质有限(Ray et al. 2018)。之前已经提出了几种化合物作为拉伸溶质(Zhong et al. 2016);然而，再生可能是能源密集型和有毒的(Ge et al. 2013)。同样，有机溶剂正向渗透需要合适的吸收溶质，表现出低或没有反向扩散和易于再生。在早期的研究中，LiCl被用作绘制溶质(Cui and Chung 2018);然而，LiCl的反向扩散降低了驱动力，增加了潜在的危害(Ma et al. 2022)。此外，氯化锂在有机溶剂中的溶解度有限(avdibegoviki et al. 2022);因此，在操作和溶剂蒸发再生过程中会析出高浓度的LiCl溶液。最近，由大型有机离子组成的离子液体在大气压下具有低于100°C的低熔点(Yi et al. 2015)，已被探索作为牵引溶质(Kamio et al. 2021)，并发现由于其不挥发性和可回收性，通过简单加热很容易从溶液中分离出来(Rajadurai和Anguraj 2021)。
介绍了离子液体抽吸有机溶剂正渗透工艺用于药物富集。本研究采用聚酮支撑的薄膜复合膜，以考察其耐有机溶剂性(Kushida et al. 2022)。利用不同的溶剂和吸收溶质系统地研究了渗透性能。四环素是一种兽医和农业抗生素(Daghrir和Drogui 2013)，由于高度交联膜对四环素的高度排斥，因此被选为模型药物化合物。此外，四环素可以很容易地通过分光光度法检测和测量。通过蒸发回收拉拔溶质并循环使用以保持拉拔溶液的浓度。据作者所知，这是第一次研究连续离子液体抽取有机溶剂正向渗透和再生。
聚酮支撑薄膜复合膜是根据我们早期的工作(Gonzales et al. 2021;Li et al. 2022)，在补充材料中描述。使用有机抗溶剂正向渗透系统评估膜的渗透性能(图S1) (Gonzales et al. 2022b)。选择性质如表S1所示的甲醇、乙醇和2-丙醇作为有机溶剂。以LiCl、聚乙二醇400、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑二(三氟甲基磺酰基)亚胺和1-乙基-3-甲基咪唑二(三氟甲基磺酰基)亚胺为拉伸溶质。它们的分子量和化学结构见表S2。本征输运性质被确定(Guan et al. 2021)，并在表S3中给出。所有的实验细节，包括粘度、电导率、渗透压(图S2)和溶质浓度(图S3)的测量，都在补充材料中显示。
四环素的富集是通过一个由两部分组成的连续系统进行的(图1)，正向渗透和提取溶质回收系统。在预定的操作周期后，停止操作，并收集稀释的抽提液。随后，用真空旋转蒸发器分离溶剂和提取溶质，并重复使用。详细信息可在补充材料中找到。
图1
连续离子液体抽吸有机溶剂正向渗透操作，抽吸溶质回收
摘要
介绍
实验
结果与讨论
结论
数据可用性
参考文献
作者信息
道德声明
补充信息
搜索
导航
#####
采用不同的醇溶剂和抽吸溶质对其渗透性能进行了评价，确定了最佳的溶剂-抽吸溶质体系。甲醇的通量最高，其次是乙醇和2-丙醇。结果可以归因于溶剂性质，包括分子大小，粘度和极性，以及溶剂分子与膜之间的相互作用，详见补充材料。与乙醇和2-丙醇相比，较小的分子尺寸减轻了传质阻力，从而导致更高的通量。此外，较高的粘度会加剧浓度极化的发生，有效降低有效渗透驱动力。最后，溶剂的极性产生了较高程度的抽吸溶质解离;因此，与乙醇和2-丙醇溶液相比，甲醇溶液具有最高的渗透压。此外，由于聚酰胺基膜的极性性质，甲醇在溶剂中极性最高，可以与膜产生强烈的静电相互作用，从而导致更高的溶剂通量。
除LiCl外，还研究了各种类型的引出溶质，包括离子液体和聚乙二醇400，以确定最合适的溶质，该溶质具有相对高的溶剂通量，低的反向引出盐通量，并适用于药物富集。表1给出了溶液的性质(粘度和渗透压)，以及甲醇通量和反拉溶质通量。尽管聚乙二醇400溶液产生的渗透压最高，但所有体系的通量最低，这主要是由于溶液粘度及其对浓度极化发生的影响。另一方面，离子液体拉伸溶质产生了较高的溶剂通量，并且在所有体系中都没有检测到反向拉伸溶质通量，这表明与LiCl相比，离子液体具有优异的膜选择性。此外，离子液体还表现出其他好处，例如适用于药物富集，由于其不挥发的性质，通过简单的蒸发使溶质再生。由于2.0M 1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺溶液的渗透压产生和溶剂拉伸能力最高，因此选择该溶液作为最佳拉伸溶质。在随后的工作中，提取的溶质在一个连续的过程中被回收和循环利用。
表1 2.0 M溶液在甲醇中的渗透性能及性质
采用不同浓度的四环素(20、200和2000 mg/L)甲醇和2.0 M 1-乙基-3-甲基咪唑二(三氟甲基磺酰基)亚胺作为进料和提取液，通过有机溶剂正向渗透进行了药物富集实验。薄膜复合膜的四环素保留率为95.7%。在渗透过程中，甲醇从进料侧向提取侧的输送会使进料液富集，提取液稀释，膜间渗透压差变小，导致溶剂通量下降。利用甲醇的低沸点和1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺的不挥发性，可以通过简单的蒸发将其从甲醇中分离出来，并回收提取的溶质，以尽量减少在连续操作期间溶剂通量的减少。虽然蒸发可能被认为是能源密集型的，但甲醇的低沸点允许利用低质量的能源，如废热，使其成为一个容易实现的过程。
如图2所示，在使用所有浓度的四环素作为进料的渗透操作期间，通量呈现下降趋势。减少的主要原因是抽提液的稀释。通过分离稀释后的提取液和离子液体的组分，可以重建一个2.0 M的溶液，从而使所有实验的溶剂通量恢复(图2a-1-a-3)。图2b-1-2b-3说明了进料溶液体积随操作过程的变化。在操作结束时，进料溶液的体积已经减少到大约初始体积的三分之一。实验中，四环素初始投喂液分别为20、200和2000 mg/L，最终四环素浓度分别为58.0、566和5450 mg/L。在所有情况下，浓度因子都在3左右，表明无论饲料中四环素的初始浓度如何，通过有机溶剂正向渗透操作，含四环素的饲料溶液都能成功富集。1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺回收后，离子液体的化学结构未发生变化(图S10)，证实了该工艺中离子液体回收再利用的可行性。在该工艺的实际应用中，建议将正向渗透和蒸发耦合，从而实现进料溶液富集和提取溶质回收的完整连续操作。
图2
有机溶剂正向渗透富集四环素过程中溶剂通量和标准化进料量的时间过程。进料液:(1)20mg /L(体积:1.0 L，操作时间:2500 min)， (2) 200mg /L(体积:0.5 L，操作时间:700 min)， (3) 2000 mg/L(体积:0.1 L，操作时间:660 min)甲醇四环素，提取液:2.0 M甲醇1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺，流速:300 mL/min，取向:活性层面进料液。在长期运行过程中进行抽液回收。无论初始四环素浓度如何，都观察到成功的四环素富集
评价了离子液体抽提有机溶剂正向渗透操作用于药物富集的可行性。对溶剂和溶质的选择进行了研究，并首次进行了连续有机溶剂正向渗透提取溶质回收的操作。溶剂分子的大小、粘度、极性以及溶剂分子与膜的相互作用对溶剂通量的性能有影响。使用离子液体1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺作为拉伸溶质，显示出高溶剂通量，可忽略的反向拉伸溶质通量和可再生性。实现了药物化合物的成功富集，离子液体得到了有效的回收再利用。这些发现突出了离子液体萃取有机溶剂正向渗透在连续药物富集和萃取溶质回收方面的潜力。
以下是电子补充材料的链接。
下载原文档：https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s10311-023-01641-y.pdf
