Las resinas impregnadas con solvente ( SIR ) son resinas (macro)porosas disponibles comercialmente impregnadas con un solvente / extractor . En este enfoque, un extractante líquido está contenido dentro de los poros de las partículas (de adsorción). Normalmente, el extractante es un líquido orgánico. Su propósito es extraer uno o más componentes disueltos de un ambiente acuoso circundante. El principio básico combina adsorción , cromatografía y extracción líquido-líquido .
El principio de las resinas impregnadas con disolventes fue demostrado por primera vez en 1971 por Abraham Warshawsky. [1] Este primer emprendimiento tenía como objetivo la extracción de metales. Desde entonces, los SIR se han utilizado principalmente para la extracción de metales , ya sean metales pesados o específicamente metales radiactivos . JL Cortina y, por ejemplo, N. Kabay, K. Jerabek o J. Serarols han realizado muchas investigaciones sobre los SIR. [2] Sin embargo, últimamente las investigaciones también se dirigen hacia el uso de SIR para la separación de compuestos naturales, e incluso para la separación de productos biotecnológicos.
La Figura 1 a la derecha explica el principio básico, en el que el extractante orgánico E está contenido dentro de los poros de una partícula porosa. El soluto S, que inicialmente se disuelve en la fase acuosa que rodea la partícula SIR, se disuelve físicamente en la fase de extractante orgánico durante el proceso de extracción. Además, el soluto S puede reaccionar con el extractante para formar un ES complejo. Esta complejación del soluto con el extractante desplaza el equilibrio general de extracción hacia la fase orgánica. De esta forma se potencia la extracción del soluto. [3]
Mientras que durante la extracción líquido-líquido convencional el disolvente y el extractante deben dispersarse, en una configuración SIR la dispersión ya la consiguen las partículas impregnadas. Esto también evita una etapa adicional de separación de fases, que sería necesaria después de que se produzca la emulsificación en la extracción líquido-líquido. Para dilucidar el efecto de la emulsificación, la Figura 2 (a la izquierda) compara los dos sistemas de un extractante en equilibrio líquido-líquido con agua, izquierda, y partículas SIR en equilibrio con agua, derecha. La figura muestra que no se produce emulsificación en el sistema SIR, mientras que el sistema líquido-líquido muestra turbidez que implica emulsificación. Además, la etapa de impregnación disminuye la pérdida de disolvente en la fase acuosa en comparación con la extracción líquido-líquido. [4] Esta disminución de la pérdida de extractante contribuye a la sorción física del extractante en la superficie de la partícula, lo que significa que el extractante dentro de los poros no se comporta completamente como un líquido a granel. Dependiendo del tamaño de los poros de las partículas utilizadas, las fuerzas capilares también pueden desempeñar un papel en la retención del extractante. De lo contrario, las fuerzas de van-der-Waals , las interacciones pi-pi o las interacciones hidrófobas podrían estabilizar el extractante dentro de los poros de las partículas. Sin embargo, la posible disminución de la pérdida de extractante depende en gran medida del tamaño de los poros y de la solubilidad en agua del extractante. No obstante, los SIR tienen una ventaja significativa sobre, por ejemplo, las resinas de intercambio iónico hechas a medida con ligandos unidos químicamente. Los SIR se pueden reutilizar para diferentes tareas de separación simplemente enjuagando un agente complejante y volviéndolos a impregnar con otro extractante más adecuado. De esta manera, se pueden evitar etapas de diseño y producción potencialmente costosas de, por ejemplo, resinas de afinidad . Finalmente, al llenar todo el volumen de los poros de las partículas con un extractante (agente complejante), se puede lograr una mayor capacidad de solutos que con las resinas de adsorción o de intercambio iónico ordinarias, donde sólo está disponible el área superficial.
Sin embargo, existen posibles inconvenientes de la tecnología SIR, como la lixiviación del extractante o la obstrucción de un lecho fijo por desgaste de las partículas. Estos podrían remediarse eligiendo el sistema de extracción de partículas adecuado. Esto implica seleccionar un extractante adecuado con baja solubilidad en agua , que quede suficientemente retenido dentro de los poros, y seleccionar partículas mecánicamente estables como soporte sólido para el extractante. Además, los SIR se pueden estabilizar recubriéndolos, como lo muestran D. Muraviev et al. [5] Como material de recubrimiento, AW Trochimczuk et al. alcohol polivinílico usado. [6]
Para eliminar o recuperar el soluto extraído, las partículas SIR se pueden regenerar mediante extracción con vapor a baja presión , [7] que es particularmente eficaz para la recuperación de hidrocarburos volátiles. Sin embargo, si la presión de vapor del soluto extraído es demasiado baja, o si la complejación entre el soluto y el extractante es demasiado fuerte, es necesario aplicar otras técnicas, por ejemplo, cambio de pH.
Las principales técnicas de impregnación son la impregnación húmeda y la impregnación seca . Durante la impregnación húmeda, las partículas porosas se disuelven en el extractante y se dejan empapar con el fluido respectivo. [8] En este enfoque, las partículas se ponen en contacto con una cantidad precalculada de extractante, que penetra completamente en la matriz porosa, o las partículas se ponen en contacto con un exceso de extractante. Después del remojo, se evapora el resto del extractante que no se encuentra dentro de los poros.
Si se utiliza el método húmedo, el extractante se disuelve en un disolvente adicional antes de la impregnación. Luego, las partículas porosas se dispersan en la solución de disolvente de extracción. [8] Después de remojar las partículas, el exceso de disolvente se puede filtrar o evaporar. En el primer caso, una mezcla de extractante y disolvente quedaría retenida dentro de los poros. Esto sería de interés para los extractantes que serían sólidos en las condiciones de diseño cuando estuvieran puros. En el segundo caso, sólo quedaría el extractante dentro de los poros. La Figura 3 muestra partículas porosas dispersas en una solución acuosa después de la impregnación húmeda. El recorte de la Figura 3 muestra un segmento ampliado de la superficie de dicha partícula impregnada. Una técnica adicional, aunque no tan utilizada, es el método de adición de modificadores. Esta técnica se basa en el uso de un sistema extractante/disolvente/modificador. El modificador adicional debe mejorar la penetración del agente de extracción en los poros de las partículas. [8] Posteriormente, el disolvente se evapora, dejando extractante y modificador en los poros de las partículas.
Además, se puede utilizar el método de la columna dinámica. Las partículas se ponen en contacto con un disolvente hasta que quedan completamente empapadas. Esto se puede hacer antes o después del llenado en la columna. Luego se enjuaga el lecho empaquetado con el extractante líquido hasta que las concentraciones de entrada y salida sean las mismas. [8] Este enfoque es particularmente interesante cuando las partículas ya están empaquetadas en una columna y se reutilizarán para una aplicación SIR.
Principalmente, los SIR se han investigado y utilizado para la recuperación de metales pesados. [9] [10] [11] Las aplicaciones incluyen la eliminación de cadmio, vanadio, cobre, cromo, iridio, etc.
Sólo recientemente se han investigado otras aplicaciones de extracción, por ejemplo, la recuperación a gran escala de compuestos orgánicos apolares en plataformas petrolíferas marinas utilizando la denominada tecnología de extracción de polímeros macroporosos (MPPE). [12] En una aplicación de este tipo, donde las partículas SIR están contenidas en un lecho empaquetado, los caudales desde 0,5 m 3 h −1 hacia arriba sin restricciones máximas de flujo aparentemente pueden tratarse en costos competitivos con respecto a la extracción con aire / carbón activado , la extracción con vapor y la biomasa. sistemas de tratamiento , según el desarrollador de tecnología. Investigaciones adicionales, realizadas en su mayoría en un entorno académico, incluyen compuestos orgánicos polares como aminoalcoholes , [13] ácidos orgánicos , [14] [15] aminoácidos, [16] flavonoides , [17] y aldehídos a escala de laboratorio o piloto. -escala. Además, en el grupo de AB de Haan se ha investigado la aplicación de SIR para la separación de solutos más polares, como por ejemplo éteres y fenoles . [18]
Las aplicaciones de la biotecnología se desarrollaron hace muy poco tiempo. Esto se debe a la sensibilidad de bioproductos como las proteínas a los extractantes orgánicos.
Un enfoque de C. van den Berg et al. se centra en el uso de partículas impregnadas para la recuperación in situ de fenol de fermentaciones de Pseudomonas putida utilizando líquidos iónicos . [19] Un mayor desarrollo condujo al uso de cápsulas de polisulfona de alta capacidad. [20] Estas cápsulas son básicamente partículas huecas rodeadas por una membrana . El interior está completamente lleno de extractor y, por tanto, aumenta la capacidad de impregnación en comparación con los SIR clásicos.
Un enfoque completamente nuevo para el uso de SIR para la separación o purificación de productos biotecnológicos, como por ejemplo proteínas, se basa en el concepto desarrollado por B. Burghoff de impregnar partículas porosas con soluciones poliméricas acuosas. Estas denominadas resinas impregnadas en fase polimérica acuosa sintonizable (TAPPIR) [21] mejoran la extracción acuosa en dos fases (ATPE) mediante la aplicación de la tecnología SIR. Durante la extracción acuosa clásica en dos fases, los componentes biotecnológicos, como las proteínas, se extraen de soluciones acuosas utilizando una segunda fase acuosa. Esta segunda fase acuosa contiene, por ejemplo, polietilenglicol (PEG). Por un lado, una baja diferencia de densidad y una baja tensión interfacial entre las dos fases acuosas facilitan una transferencia de masa comparativamente rápida entre las fases. Por otro lado, el PEG parece estabilizar las moléculas de proteínas, lo que da como resultado una desnaturalización de las proteínas comparativamente baja durante la extracción. Sin embargo, un inconveniente importante del ATPE es la emulsificación persistente, lo que dificulta la separación de fases. La idea detrás de TAPPIR es aprovechar las ventajas que presentan los SIR, es decir, una baja pérdida de extractante debido a la inmovilización en los poros y una menor emulsificación que en la extracción líquido-líquido. De esta manera se podrían solucionar los inconvenientes del ATPE. La configuración consistiría en una columna empaquetada o un lecho fluidizado en lugar de un equipo de extracción líquido-líquido con pasos de separación de fases adicionales. Sin embargo, hasta el momento sólo están en marcha los primeros estudios de viabilidad para probar el concepto. Un inconveniente de este método es el modo de trabajo no continuo. La columna empaquetada funciona de manera similar a una columna cromatográfica.