InnoREX – ultrazvukom poboljšana ekstruzija PLA

Ultrazvučno miješanje, dispergiranje i emulgiranje poboljšavaju ekstruziju polimliječnih kiselina (PLA). Primjena ultrazvučne obrade u ekstruzijskim linijama povećava prinos i kvalitet proizvedenog PLA.

Sinteza polilaktida

Polimliječne kiseline ili polilaktid (PLA) su termoplastični alifatski poliester, koji se sintetizira iz mliječne kiseline i laktidnih monomera. Laktid je ciklični diester, koji se dobiva iz fermentiranog biljnog škroba (npr. kukuruznog škroba, šećerne trske) i koristi se kao biljna zamjena za plastiku. Time se sinteza PLA savršeno uklapa u okvire zelene hemije. PLA je brzo izazvao veliko zanimanje jer je biološki zasnovana, biorazgradiva zamjena za konvencionalne plastike na petrohemijskoj osnovi.
Činjenice o PLA: PLA (C₃H₄O₂)n ima gustoću od 1210-1430 kg/m³, netopiv je u vodi, tvrđi je od PTFE i topi se na temperaturama između 150degC i 220degC.

InnoREX – inovativni proces polimerizacije

Trenutni proces proizvodnje PLA zahtijeva katalizatore koji sadrže metale kako bi se poboljšala brzina polimerizacije laktona, a koji su opasni po zdravlje i okoliš. S obzirom na problematičnost upotrebe katalizatora i rastuću potražnju za biozasnovanim polimerima, projekt InnoREX usmjeren je na razvoj procesa polimerizacije u kojem se konvencionalni katalizatori koji sadrže metale zamjenjuju organskim katalizatorom, a proces potpomažu alternativni izvori energije: ultrazvuk velike snage, mikrovalovi i laser.

Pokazalo se da organski katalizatori efikasno kontrolišu polimerizaciju laktida, ali njihova aktivnost se još mora poboljšati kako bi zadovoljila industrijske standarde. To će se postići uvođenjem alternativnih energija ultrazvuka, mikrovalova i laserske svjetlosti, jer povećavaju aktivnost katalizatora i omogućavaju preciznu kontrolu reakcije pobuđivanjem samo malih dijelova reakcijske smjese bez vremena odziva.
Projekt stoga kombinuje novi reaktorski sistem, u kojem se alternativni izvori energije uvode u medij, s organskim katalizatorom kako bi se u procesu reaktivne ekstruzije dobio PLA bez metala. (vidi sl. 1)
Stoga projekt InnoREX koristi brzo vrijeme odziva mikrovalova, ultrazvuka i laserske svjetlosti kako bi postigao precizno kontrolisanu i efikasnu kontinuiranu polimerizaciju PLA velike molekulske mase u dvopuževnom ekstruderu. Osim toga, značajne uštede energije postići će se kombinovanjem polimerizacije, kompaundiranja i oblikovanja u jednom proizvodnom koraku.

Ultrazvuk velike snage

Tri alternativna izvora energije – ultrazvuk, mikrovalovi i lasersko zračenje – kombinuju se kako bi se izazvala polimerizacija otvaranjem prstena i osigurala polimerizacija velike molekulske mase. Tokom ograničenog vremena zadržavanja u reaktorskoj komori, alternativni izvori energije unose potrebni pokretački učinak reakcije u protočnu ćeliju u liniji (vidi sl. 2) na vrlo ciljanom nivou. Time se mogu izbjeći katalizatori koji sadrže metale, poput kalaj(II) 2-etilheksanoata, koji su u konvencionalnim procesima ekstruzije potrebni da bi se brzina polimerizacije laktona podigla na prihvatljivo efikasan nivo.
U pilot-postrojenje InnoREX integrisan je ultrazvučni procesor velike snage UIP1000hd, koji može osigurati 1 kW ultrazvučne snage. Ultrazvuk velike snage poznat je po svojim pozitivnim učincima na hemijske reakcije, što je fenomen sonohemije. Kada se ultrazvučni valovi velike snage uvode u tekući medij, valovi stvaraju cikluse visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđenje), što rezultira ultrazvučnom kavitacijom. Kavitacija opisuje „stvaranje, rast i implozivni kolaps mjehurića u tekućini. Kavitacijski kolaps proizvodi intenzivno lokalno zagrijavanje (~5000K), visoke tlakove (~1000 atm) i ogromne brzine zagrijavanja i hlađenja (>109 K/sec)“, kao i strujanje tekućine s mlazovima tekućine brzine ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Ultrazvučno generirane kavitacijske sile osiguravaju kinetičku energiju, dispergiraju čestice i stvaraju radikale koji podržavaju hemijsku reakciju polimerizacije.
Opći pozitivni učinci ultrazvučne obrade tokom reakcije polimerizacije su:

• započinjanje polimerizacije zbog sonohemijski stvorenih radikala (kinetika polimerizacije)
• ubrzanje brzine polimerizacije
• uže polidisperznosti, ali veća molekulska masa polimera
• homogenija reakcija i stoga manja raspodjela dužina lanaca

Literatura/reference

• K.S. Suslick (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.