CC BY
60
УДК 661.12:615.84(075.8)
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ МАЛОГАБАРИТНОГО ЭКСТРАКТОРА С САМОРЕГУЛИРУЕМЫМ УРОВНЕМ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ФАЗ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ПАРЫ 99Мо/99"Гс
В.С. Скуридин, Е.С. Стасюк, А.С. Рогов, Е.А. Нестеров, Е.В. Чибисов
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Предложена конструкция и проведены расчеты модели малогабаритного экстрактора с саморегулируемым уровнем границы раздела фаз для отделения 99тТс от молибдена. Данная конструкция экстрактора обеспечивает возможность проведения многократной циклической экстракции в малом замкнутом объеме. На экспериментальной модели показано, что при соотношении объемов органической и водной фаз, превышающем 1, достигается выход 99тТс в органическую фазу более 80 % при тройном спаренном цикле. Малые габариты экстрактора создают предпосылки для создания мобильных экстракционных установок и их использования непосредственно в медицинских центрах.
Ключевые слова:
Технеций-99м, экстракция, радиофармпрепараты.
Введение
Радиофармацевтические препараты на основе короткоживущего радионуклида технеция-99т (99тТс) используются во всем мире для проведения высокоинформативных диагностических исследований в различных областях медицины. С их помощью проводят более 70 % радиодиагностических процедур от общего количества [1].
Технеций-99т является дочерним продуктом ^-распада изотопа 99Мо (период полураспада 66 ч). Для его отделения от материнского изотопа используются устройства, называемые генераторами технеция-99м. В зависимости от применяемого метода, они подразделяются на четыре типа: хроматографические (сорбционные), гель-генераторы, сублимационные и экстракционные.
На сегодняшний день большая часть мирового рынка приходится на хроматографические генераторы 99тТс, которые удобны в эксплуатации и, в силу их компактности, могут быть транспортированы на большие расстояния. Вместе с тем для их изготовления требуется высокоактивный 99Мо (более 200 Ки/г), выделяемый из продуктов деления урана-235 по дорогостоящим и экологически опасным технологиям. К достоинствам экстракционных технологий относится то, что они являются концентрирующими и позволяют получать препараты 99тТс с высокой объемной активностью из низкоактивного 99Мо, нарабатываемого по реакции радиационного захвата (и,/) из более доступного и недорогого молибдена (МоО3) природного изотопного состава. Кроме того, химическая и радионуклидная чистота таких препаратов на порядок выше, чем у элюатов из хроматографического генератора, для «зарядки» которых используется 99Мо, выделяемый из продуктов деления урана-235 по экологически опасным и дорогостоящим технологиям [2, 3].
Как правило, экстракционные генераторы представляют собой крупногабаритные стационарные установки с мощной биологической защитой, способные обеспечивать потребности достаточно больших городов и регионов. Однако в силу корот-
кого периода полураспада 99тТс (6 ч) при его транспортировании теряется до 25 % активности.
Для создания компактных экстракционных установок, удобных для применения непосредственно в условиях медицинских лабораторий, необходимо, в первую очередь, решить проблему снижения габаритов экстрактора с одновременным повышением его эффективности, а также проблему саморегуляции границы раздела фаз на стадии отбора экстракта для исключения захвата водной фазы и попадания 99Мо в препарат. Цель работы включала в себя разработку модели малогабаритного экстрактора с саморегулируемым уровнем раздела границы фаз.
Анализ работы существующих экстракционных установок показывает, что:
1) чаще всего в качестве экстрагента для отделения 99тТс от 99Мо используется метилэтилкетон (МЭК), а экстракция технеция-99т осуществляется по гидратно-сольватному механизму в виде Н99мТсО4 [4]:
Н++ 99тТсО4- + pН2О+qМЭК=[Н99мТсО4•pН2О•qМЭК];
2) в прямоточных экстракторах степень выделения 99тТс из водного раствора молибдата, 99Мо калия или натрия, зависит от соотношения объемов экстрагента 7Э и водной фазы V,. При этом выполняется соотношение (1) [5]:
Е = ■
D
D + Кэ/ К
iGG %.
(1)
где Е - степень экстракции, %; D - коэффициент распределения технеция между двумя нес-мешивающимися фазами. Наиболее оптимальным является условие 7Э/7В>1;
3) эффективность экстракции повышается при использовании спаренных, последовательно соединенных колонн, в которых проводится циклическая экстракция одним и тем же объемом экстрагента (2) [6]. В этом случае [7]:
£=100[1-(1^7э/7вП, (2)
где т - количество циклов экстракции;
4) коаксиальное размещение экстракционных колонн обеспечивает наибольшую компактность установки с одновременным уменьшением количества коммуникаций [8];
5) для снижения потерь экстракта с технецием-99м при его отборе поверхность границы раздела фаз в области отбора должна быть минимальной.
Экстракционное разделение пар 99Мо/99тТс является многостадийным процессом. Классическая технологическая схема включает 8 основных стадий:
• облучение мишеней с целью наработки «материнских» изотопов 99Мо;
• вскрытие мишени и формирование исходной водной фазы (растворение мишени, введение высаливателя);
6) кстракционное отделения 99тТс от 99Мо с использованием МЭК осуществляется по гидратно-сольватному механизму в виде Н99мТсО4 [4] Н++99mТсО4-+pН2О+qМЭК=[Н99мТсО4•pН2О•qМЭК]
• отбор и дистилляция экстрагента;
• растворение сухого остатка на стенках испарителя в физиологическом растворе;
• расфасовка препарата во флаконы для лекарственных средств;
• стерилизация раствора натрия пертехнета-
та-99мТс.
Разработка модели экстрактора
С учетом вышеизложенного была разработана модель экстрактора, схема которого представлена на рис. 1. Согласно схеме экстрактор образован двумя коаксиальными колонками, внутренней -1 и внешней - 2. Объем внешней колонки составляет кольцевое пространство между стенками внутренней колонки и корпусом экстрактора. При этом объемы обеих колонок экстрактора примерно равны между собой и по отдельности превышают суммарный объем вводимых реагентов.
Внутренняя колонка - 1 в своей средней части имеет горловину - 3. Заборная трубка - 4 расположена у верхнего уровня горловины. Внутренняя - 1 и внешняя - 2 колонки имеют в верхней части патрубки - 5 и 6 для подключения к воздушно-вакуумной системе. В нижней части внутренней колонки имеются отверстия - 7, через которые объемы колонок сообщаются друг с другом. Весь экстрактор помещен в защитный контейнер - 8.
Примем, что площадь поперечного сечения внутренней колонки равна &!, а внешней колонки - Б2. Соответственно, общая площадь экстрактора 80=81+82. Примем также, что 81=82=0,580, а сечение горловины Бт=пБ0, где п - некоторый коэффициент. Исходя из этого, сечение колонки - 2 в области горловины будет равным 50-пй0=(1-п)й0.
С учетом принятых обозначений при введении в экстрактор водной фазы (ВФ) объемом (3)
Ув=^0®0=^0(®1+®2) (3)
ее высота в обеих сообщающихся колонках в момент достижения равновесия будет одинаковой и составит Н0 (исходное равновесное состояние).
Рис. 1. Схема экстрактора в осевом и поперечном сечениях. Ь0 - высота внутренней колонки экстрактора до горловины, соответствующая исходному уровню водной фазы в обеих колонках экстрактора, /?З - высота горловины, совпадающая с высотой подъема кончика заборной трубки - 4 над Ь0
Если теперь в колонку - 1 (через заборную трубку - 4) дополнительно ввести некоторый объем экстрагента, то содержащаяся в ней ВФ через отверстия в нижней части колонки будет вытесняться в межстеночное пространство. Точно так же при обратном процессе (отборе экстрагента) избыточное гидростатическое давление столба ВФ в этом пространстве будет выталкивать остатки экстрагента к заборной трубке, возвращая систему в исходное равновесное состояние и обеспечивая тем самым процесс саморегулирования уровня раздела фаз в экстракторе.
Рассмотрим работу экстрактора в динамике с целью определения геометрических параметров, влияющих на величину соотношения объемов ВФ и экстрагента, а также на величину потери экстракта при его отборе.
В случае полного вытеснения ВФ экстрагентом, равновесие в системе будет описываться уравнением (4):
Рэ(^о+^з+^х)=Рв(^о+^з+^у), (4)
где Нх и ЛУ - высота столба экстрагента в колонке -
1 и столба ВФ в колонке - 2 над уровнем заборной трубки, соответственно; рЭ и рВ - плотности экстрагента и ВФ.
Объем ВФ, вытесненной в колонку - 2 можно представить суммой объемов (5):
Н0^0=0,5Н<^0+0,5Ну30+Нз(1-п)30. (5)
Отсюда (6):
Йу=Ло-2(1-п)Лз. (6)
При подстановке полученного выражения в (2) определим величину Нх (7).
Йх=&[2Йо-Йз(1-2п)]-(Йз+Йо), (7)
где к=рВ/рЭ. Для системы раствор молибдата (99Мо) калия-метилэтилкетон к=1,5.
Предельный объем экстрагента, требуемый для полного вытеснения ВФ, в соответствии с равновесием (4), можно представить суммой (8):
Уэ=0,5Л050+пЛз50+0,5Лх50. (8)
Подставив сюда Лх из выражения (7) и разделив на общий объем ВФ (3), получим (9):
Уэ/ К =к-£-[(1 - 2н)(к+1)]. (9)
2И0
Уп = и
АИ2 = ■
АИ,
(14)
2(1 - п)
При подстановке (14) в уравнение (11) получим высоту столба ВФ, вытесняемую из колонки -1 столбом экстрагента (15):
, (1 - п)
АИ = И3----------------------------------------, (15)
1 3 к (1,5 - п) - (1 - п) К ’
а после, произведя замену в выражении (12), окончательно запишем суммарный объем оставшегося в экстракторе экстрагента (16):
п +-
1 - п
к + 2(к -1)(1 - п)
(16)
Отсюда следует, что соотношение объемов экстрагента и ВФ зависит от величины отношения
И
и п. При этом максимальное значение УЭ/УВ=к
2И0
достигается при п=0,5, т. е. при отсутствии горловины в колонке - 1.
Экстракцию технеция-99м осуществляют путем циклического пропускания метилэтилкетона сквозь водную фазу при помощи полного перевода экстрагента и ВФ в колонку - 2 с последующим их возвратом, после расслоения фаз (£=1...1,5 мин), в колонку - 1 за счет попеременного создания разрежения воздуха в колонках через патрубки - 5 и 6. Отбор экстрагента производят после перевода обеих фаз в колонку - 1 и запуска атмосферного воздуха в обе колонки. При этом в экстракторе устанавливается равновесие, отвечающее уравнению (4).
Теперь оценим величину незадействованного экстрагента при его отборе. При выполнении этой операции он через заборную трубку выводится за пределы экстрактора. Одновременно с отбором ВФ начинает поступать из внешней во внутреннюю колонку, вытесняя его остатки до некоторого предельного уровня, при котором в системе устанавливается новое равновесие (10):
Рэ(Йз+Ай1)+рв(Йо-АЛ1)=рв(Йо+АЙ2) (10)
или (11)
Рэ(Йз+АЛ1)=р(АЛ1+АЙ2), , (11)
где АЛ! - высота столба ВФ, вытесняемой из колонки - 1 столбом экстрагента высотой ЛЗ; АЛ2 - приращение столба ВФ в колонке - 2.
Суммарный объем оставшегося в экстракторе экстрагента при этом составит (12):
7п=Лзп5(|+0,5АЛ150. (12)
С учетом равенства объемов, вытесняемых экстрагентом из колонки - 1 в колонку - 2, можно записать (13):
0,5АЛ180=0,5АЛ2Б0(1-п). (13)
Отсюда найдем приращение столба ВФ в колонке - 2 (14):
В общем случае важна не сама величина неотобранного (оставшегося в экстракторе) экстрагента УП, а его отношение к общему введенному объему Уэ.
В таблице приведены значения УЭ/УВ и УП/УЭ, рассчитанные по уравнениям (9) и (16) для заданных параметров Лз/Л0 и п.
Из приведенной таблицы следует, что требуемое соотношение объемов УВ/УЭ>1 в сочетании с приемлемой величиной относительной потери экстрагента менее 8,5 % достигается при условии, если отношение Лз/Л0 не превышает 0,2, а величина п, определяемая отношением площадей 5г/й0, не превышает 0,3.
Таблица. Влияние геометрических параметров экстрактора на величину соотношения Ve/VЭ и относительную величину оставшегося в экстракторе экстрагента
Vэ/Vв Vn/V3, %
Ьз/Ь 1_л о, СЭ ,2 СЭ ,3 ,4 1_Л о, ,2 СЭ ,3 ,4
II II II II II II II II
с с с с с с с с
0,1 1,43 1,45 1,47 1,50 1,52 2,9 3,2 3,6 4,0 4,4
0,2 1,31 1,35 1,40 1,45 1,50 6,3 6,7 7,6 8,3 8,9
0,3 1,19 1,25 1,32 1,40 1,47 10,5 10,9 12,0 12,8 13,7
0,4 1,07 1,15 1,24 1,35 1,45 15,6 15,8 17,0 17,8 18,5
0,5 0,95 1,05 1,17 1,30 1,42 20,4 21,5 22,6 23,1 23,6
Для окончательного расчета габаритов экстрактора необходимо сделать оценку объема исходной водной фазы УВ. В общем случае он зависит от требуемой общей и удельной активности 99Мо в используемом растворе молибдата (99Мо) калия, загружаемого в экстрактор. Обычная номинальная активность генератора, поставляемого в клинику, составляет 18,5 ГБк (0,5 Ки) по технецию-99м. С учетом того, что при распаде 99Мо образуется 87,5 % ядер 99тТс и средний выход этого радионуклида из генератора составляет 80 %, исходная активность 99Мо на момент загрузки должна быть порядка 1,5 Ки. В том случае, если удельная активность такого сырья составляет 1 Ки на 1 г молибдена природного изотопного состава, общая масса облученного в реакторе оксида МоО3 должна быть около 2,3 г.
В соответствии со стехиометрией реакции для растворения такого количества оксида требуется 6,3 мл 5 М раствора КОН и двойной объем 2,5 М раствора высаливателя К2СО3, что в сумме составит «20 мл или 20 см3.
Для последующего проведения расчетов геометрических размеров экстрактора примем, например, что его общее сечение й0=10 см2 (внутренний диаметр 3,5 см), а сечения колонок Й1=52=5 см2. Для заданной величины высота столба водной фазы в равновесном состоянии Л0=Ув/Б0=2 см. Согласно данным таблицы для получения соотношения объемов Ув/Уэ=1,43 при величине оставшего-
ся в экстракторе экстрагента, равной Уп/Уэ=2,9 %, параметры Лз/Л0 и п должны быть соответственно равны 0,1 и 0,05. Отсюда высота горловины экстрактора Лз=0,1Л0=0,2 см, а ее сечение п ^=0,0540=0,5 см2.
Теперь проведем расчет требуемой высоты экстрактора. В конечном итоге она определяется высотой его внутренней колонки - 1 , имеющей сужение. При этом колонка должна вмещать объемы ВФ и экстрагента, которые в сумме составляют (17):
ЛД+КЛД=(1+Я)ЛА, (17)
где К=Уэ/Ув.
Если бы экстрактор не имел горловины, то высота столба жидкости во внутренней колонке, имеющей сечение 0,5й0, составила бы (18):
Нж=(1+К)Ло«о/0,5«о=2(1+К)Ло. (18)
Но поскольку горловина вмещает объем ЛЗпБ0, то фактическая величина НЖ будет меньше на ЛзпБ0/0,5Б0=2пЛ3. В результате общая высота экстрактора Н составит (19):
Н=2(1+К)Л0-2пЛз+Лз+Лт, , (19)
здесь ЛТ - технологический зазор между уровнем жидкости в колонке - 1 и воздушным патрубком -5, предотвращающий попадание раствора в воздушно-вакуумную систему.
Для рассматриваемого случая: Л0=2 см,
К=1,43, Лз=0,2 см, ЛТ=2 см, 2пЛз=0,02 см находим, что Н=11,94 см.
В соответствии с проведенными расчетами, был изготовлен опытный образец экстрактора из кварцевого стекла и проведены его модельные испытания с целью определения эффективности экстракции 99тТс при различных соотношениях объемов Уэ/Ув, а также с целью определения оптимального количества спаренных циклов экстракции для получения максимального выхода радионуклида. Результаты этой экспериментальной проверки представлены на рис. 2.
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Количество спаренных циклов экстракции
Рис. 2. Увеличение выхода технеция-99м в зависимости от количества циклов спаренной экстракции при соотношении объемов Vэ/Ve: 1) 15/20, 2) 20/20, 3) 25/20
Циклическая экстракция 99тТс осуществлялась порциями метилэтилкетона по 15, 20 и 25 мл из объема водной фазы 20 мл с интервалом времени между выделениями 24 ч. Из 2,3 г оксида МоО3, облученного в потоке нейтронов 1 • 1014 н/см2-с в течение 24 ч, была приготовлена водная фаза путем растворения в 5 М растворе КОН с последующим добавлением 2,5 М раствора К2СО3. Выход 99тТс
оценивался как отношение его активностей в выделенном экстракте и в исходной ВФ на данный момент времени.
Из приведенных зависимостей следует, что при соотношении объемов органической и водной фаз 25/20, для достижения выхода 99тТс более 80 % достаточно трех спаренных циклов экстракции. Проверка химической и радионуклидной чистоты экстракта показала, что содержание в нем неактивного молибдена составляет менее 0,1 мкг/мл, а 99Мо -менее 140-3 % от активности 99тТс на момент проведения экстракции. Это свидетельствует об отсутствии «захвата» ВФ при отборе экстракта и высокой эффективности отделения 99тТс от молибдена.
Рассмотренный экстрактор, в принципе, может быть изготовлен из любого инертного материала, например из полипропропилена или полиэтилена высокого давления в виде штампованного изделия с последующей его доставкой в клиники с раствором мо-либдата (99Мо) в транспортном защитном контейнере.
Выводы
1. Предложенная в работе конструкция экстрактора для отделения 99тТс от молибдена обеспечит возможность проведения многократной циклической экстракции в малом замкнутом объеме в сочетании с саморегулированием уровня границы раздела водной и органической фаз, достигаемой за счет выравнивания столбов жидкостей в сообщающихся коакси-ально расположенных сосудах. Эффект саморегулирования препятствует попаданию водной фазы в препарат и повышает надежность работы устройства в целом с одновременным снижением потерь экстракта при его отборе.
2. Из представленной математической модели следует, что эффективность работы экстрактора в основном зависит от отношения Лз/Л0 и величины п, определяемой отношением площадей сечений горловины и экстрактора в целом. Приведенная методика расчетов позволяет получить оптимальные размеры экстрактора для заданного объема водной фазы, который, в свою очередь, зависит от удельной активности 99Мо, используемого в качестве исходного сырья.
3. Предложенная модель позволит эксплуатировать экстрактор по принципу «черного» ящика в отдельном изолированном защитном контейнере небольших размеров. Такие экстракторы в сочетании с устройством для отделения 99тТс от экстрагента позволят создать компактный автоматизированный модуль, предназначенный для экспрессного получения препаратов техне-ция-99м в условиях медицинских лабораторий.
4. Проведенные модельные испытания показали, что конструкция экстрактора обеспечивает достаточно высокую эффективностью отделения 99тТс от молибдена в сочетании с требуемой химической и радионуклидной чистотой продукта. Данные разработки в дальнейшем позволят существенно снизить стоимость радионуклида для
обследования больных, что позволит существенно увеличить количество обследований.
Представленные результаты получены с использованием УСУ ИРТ-Т ФТИ ТПУ при финансовой поддержки Минобрнауки России по ГК 14.518.11.7036.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кодина Г.Е., Богородская М.А. Химическая технология ра-диофармацевтических препаратов. - М.: ФМБЦ им. А.И. Бур-назяна; ФМБА России; РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2010. -464 с.
2. Зайцева Л.Л., Величко А.В., Виноградова И.В. Соединения технеция и область их применения // Итоги науки и техники. - 1984. - Т. 9. - С. 87-93.
3. Фармакопейная статья предприятия. Натрия пертехнетат, 99мТс из экстракционного генератора, раствор для инъекций. ФСП 42-1419-06 с изменениями № 1 от 18.06.2009 г.
4. Химический энциклопедический словарь / под ред. И.Л. Кнунянц. - М.: Советская энциклопедия, 1983. - 792 с.
5. Экстракция хелатов / под ред. И. Стары. - М.: Мир, 1966. -392 с.
6. Способ экстракционного получения технеция-99т и устройство для его осуществления: пат. 2118858 Рос. Федерация. МКИ G21G 1/06, 4/08; заявл. 14.10.94; опубл. 10.10.98, Бюл. № 25. - 4 с.
7. Мицуике А. Методы концентрирования микроэлементов в неорганическом анализе. - М.: Химия, 1986. - 152 с.
8. Экстракционный генератор технеция-99т: пат. 2161132 Рос. Федерация. МКИ С0Ю 57/00; заявл. 27.12.00, Бюл. № 36. -4 с.
Поступила 26.04.2013 г.
UDC 661.12:615.84(075.8)
THE DEVELOPMENT OF THE MODEL OF A SMALL-SIZED EXTRACTOR WITH SELF-CONTROL INTERFACE LEVEL TO DIVIDE A PAIR 99Мо/99MТс
V.S. Skuridin, E.S. Stasyuk, A.S. Rogov, E.A. Nesterov, E.V. Chibisov Tomsk Polytechnic University
The authors have proposed a construction of a model of a small-sized extractor with self-control interface level to separate 99mTc from molybdenum; the calculations for model have been carried out. The extractor construction makes it possible to carry out multiple cyclic extractions in a small enclosed volume. In a pilot model 99mTc yield into organic phase is more than 80 % at triple tandem cycle when the volume ratio of organic and water phases exceeds 1. Extractor small size predetermines the development of mobile extraction units and their application in medical centers.
Key words:
Technetium-99m, extraction, radiopharmaceuticals.
REFERENCES
1. Kodina G.E., Bogorodskaya M.A. Khimicheskaya tekhnologiya radiofarmacevticheskikh preparatov (Chemical technique of radiopharmaceuticals). Moscow, FMBC im. A.I. Burnazyana; FMBA Rossii; RKhTU im. D.I. Mendeleeva, 2010. 464 p.
2. Zaytseva L.L., Velichko A.V. Itogi nauki i tekhniki, 1984. 9, pp. 87-93.
3. Farmakopeynaya statya predpriyatiya. Natriya pertekhnetat, ”mTc iz ekstraktsionnogo generatora, rastvor dlya inekciy (Manufacturer’s monograph. Sodium pertechnetate, 99mTc from extraction generator, solution for injections). FSP 42-1419-06 № 1 with changes from 18.06.2009.
4. Knunyants I.L. Khimicheskiy entsiklopedicheskiy slovar (Chemical encyclopedia). Moscow, Sovetskaya entsiklopediya, 1983. 792 p.
5. Ctary I. Ekstraktsiya khelatov (Chelate extraction). Moscow, Mir, 1966. 392 p.
6. Sposob ekstraktsionnogo polucheniya texneciya-99m i ustroystvo dlya ego osushchestvleniya (Method of extractive obtaining Tc-99 and the device for its implementation). Patent RF, no. 2118858,1998.
7. Mitsuike A. Metody kontsentrirovaniya mikroelementov v neor-ganicheskom analize (The techniques of concentrating microelements in inorganic analysis). Moscow, Khimiya, 1986. 152 p.
8. Ekstraktsionny generator tekhnetsiya-99m (Extraction generator of Tc-99m). Patent RF, no. 2161132,2000.
