InnoREX – Ultrazvučno poboljšana PLA ekstruzija

Ultrazvučno miješanje, dispergiranje i emulgiranje poboljšava ekstruziju polimliječne kiseline (PLA). Implementacija ultrazvučne obrade u ekstruzione linije povećava prinos i kvalitet proizvedenog PLA.

Sinteza polilaktida

Polilaktidne kiseline ili polilaktid (PLA) je termoplastični alifatski poliester, koji se sintetizira iz mliječne kiseline i laktidnih monomera. Laktid je ciklički diester, koji se dobija iz fermentisanog biljnog skroba (npr. kukuruznog skroba, šećerne trske) i koristi se kao zamena za plastiku na biljnoj bazi. Stoga se PLA sinteza savršeno uklapa u raspon zelene hemije. PLA je brzo stekla veliko interesovanje jer je biorazgradiva zamena za konvencionalnu plastiku na bazi petrohemije.
Činjenice o PLA: PLA (C₃H₄O₂)n ima gustinu od 1210-1430 kg/m³, nerastvorljiv je u vodi, tvrđi je od PTFE i topi se na temperaturama između 150°C i 220°C.

InnoREX – Inovativni proces polimerizacije

Trenutni proizvodni proces PLA zahtijeva katalizatore koji sadrže metal kako bi se poboljšala brzina polimerizacije laktona, opasnih po zdravlje i okoliš. S obzirom na problematičnu prirodu korištenja katalizatora i rastuću potražnju za polimerima na bazi bioloske baze, projekt InnoREX fokusira se na razvoj procesa polimerizacije, u kojem se konvencionalni katalizatori koji sadrže metal zamjenjuju organskim katalizatorom uz pomoć alternativnih izvora energije velike snage. ultrazvukom, mikrovalnom i laserom.

ultrasonicator UIP2000hdT u sistemu ekstruzije

ultrazvuk velike snage

Tri alternativna izvora energije – ultrazvuk, mikrotalasno i lasersko zračenje – kombinovani su kako bi se indukovala polimerizacija otvaranja prstena kako bi se osigurala polimerizacija visoke molekularne težine. Tokom ograničenog vremena boravka u reaktorskoj komori, alternativni izvori energije unose potreban uticaj pokretanja reakcije u inline protočnu ćeliju (vidi sliku 2) na visoko ciljanom nivou. Na taj način se mogu izbjeći katalizatori koji sadrže metal kao što je kalaj (II) 2-etilheksanoat, koji je u konvencionalnim procesima ekstruzije neophodan za podizanje brzine polimerizacije laktona na prihvatljiv nivo efikasnosti.
Za sistem pilot postrojenja InnoREX, ultrazvučni procesor velike snage UIP1000hd, koji može da obezbedi 1kW ultrazvučne snage, integrisan je. Ultrazvuk velike snage je dobro poznat po svojim pozitivnim efektima na hemijske reakcije, što je fenomen sonohemije. Kada se ultrazvučni talasi velike snage uvedu u tečni medij, talasi stvaraju cikluse visokog pritiska (kompresija) i niskog pritiska (razređivanje) što rezultira ultrazvukom kavitacija. Kavitacija opisuje „formiranje, rast i implozivni kolaps mjehurića u tekućini. Kavitacijski kolaps proizvodi intenzivno lokalno grijanje (~5000K), visoke pritiske (~1000 atm) i ogromne brzine grijanja i hlađenja (>109 K/sec)” kao što je strujanje tečnosti sa mlazovima tečnosti od ~400 km/h. (KS Suslick 1998.)
Ultrazvučno generisane kavitacijske sile daju kinetičku energiju, raspršuju čestice i stvaraju radikale koji podržavaju reakciju hemijske polimerizacije.
Opšti pozitivni efekti sonikacije tokom reakcije polimerizacije su:

• iniciranje polimerizacije zbog sonohemijski stvorenih radikala (kinetika polimerizacije)
• ubrzanje brzine polimerizacije
• uže poli-disperzije, ali veća molekularna težina polimera
• homogenija reakcija, a time i manja distribucija dužina lanaca

Slika 2: Postavljanje procesa ultrazvukom, mikrovalnom i laserom za postizanje polimerizacije otvaranja prstena izbjegavajući korištenje katalizatora koji sadrže metal (Izvor: InnoREX)