InnoREX – ultrazvukem vylepšená extruze PLA

Ultrazvukové míchání, dispergace a emulgace zlepšují extruzi polymléčných kyselin (PLA). Implementace ultrazvuku do vytlačovacích linek zvyšuje výtěžnost a kvalitu vyráběného PLA.

Syntéza polylaktidu

Polylaktidové kyseliny nebo polylaktid (PLA) je termoplastický alifatický polyester, který je syntetizován z kyseliny mléčné a monomerů laktidu. Lactid je cyklický diester, který se získává z fermentovaného rostlinného škrobu (např. kukuřičného škrobu, cukrové třtiny) a používá se jako rostlinná náhrada plastů. Syntéza PLA tak dokonale zapadá do oblasti zelené chemie. PLA si rychle získal velký zájem, protože se jedná o biologickou, biologicky odbouratelnou náhradu konvenčních plastů na bázi petrochemie.
Fakta o PLA: PLA (C₃H₄O₂)n má hustotu 1210-1430 kg/m³, je nerozpustný ve vodě, tvrdší než PTFE a taví se při teplotách mezi 150 °C a 220 °C.

InnoREX – Inovativní polymerační proces

Současný výrobní proces PLA vyžaduje katalyzátory obsahující kovy ke zlepšení rychlosti polymerace laktonů, které jsou nebezpečné pro zdraví a životní prostředí. Vzhledem k problematické povaze využití katalyzátorů a rostoucí poptávce po biopolymerech se projekt InnoREX zaměřuje na vývoj polymeračního procesu, ve kterém jsou konvenční katalyzátory obsahující kov nahrazeny organickým katalyzátorem a podporovány alternativními zdroji energie vysoce výkonným ultrazvukem, mikrovlnami a laserem.

Bylo prokázáno, že organické katalyzátory účinně řídí polymeraci laktidu, ale jejich aktivita musí být stále zlepšována, aby splňovala průmyslové normy. Toho bude dosaženo zavedením alternativních zdrojů energie ultrazvuk, mikrovlny a laserové světlo, protože zvyšují aktivitu katalyzátoru a umožňují přesné řízení reakce tím, že excitují pouze malé části reakční směsi bez doby odezvy.
Projekt proto kombinuje nový reaktorový systém, kde jsou do média zavedeny alternativní zdroje energie, s organickým katalyzátorem pro získání bezkovového PLA v procesu reaktivní extruze. (viz obr. 1)
Projekt InnoREX proto využívá rychlou dobu odezvy mikrovln, ultrazvuku a laserového světla k dosažení přesně řízené a účinné kontinuální polymerace PLA s vysokou molekulovou hmotností ve dvoušnekovém extrudéru. Kromě toho bude dosaženo významných úspor energie kombinací polymerace, míchání a tvarování v jednom výrobním kroku.

Vysoce výkonný ultrazvuk

Tři alternativní zdroje energie – ultrazvuk, mikrovlnná trouba a laserové ozařování – jsou kombinovány k vyvolání polymerace s otevřením kruhu, aby byla zajištěna polymerace s vysokou molekulovou hmotností. Během omezené doby setrvání v komoře reaktoru zavádějí alternativní zdroje energie požadovaný reakční hnací účinek do inline průtočné cely (viz obr. 2) na vysoce cílené úrovni. Tímto způsobem se lze vyhnout katalyzátorům obsahujícím kovy, jako je 2-ethylhexanoát cínu, který je v konvenčních procesech extruze vyžadován ke zvýšení polymerační rychlosti laktonů na přijatelnou účinnou úroveň.
Pro pilotní systém InnoREX je k dispozici vysoce výkonný ultrazvukový procesor UIP1000hd řekl:, který je schopen poskytnout 1 kW ultrazvukového výkonu, byl integrován. Ultrazvuk s vysokým výkonem je dobře známý pro své pozitivní účinky na chemické reakce, což je fenomén sonochemie. Když jsou ultrazvukové vlny s vysokým výkonem zavedeny do kapalného média, vlny vytvářejí vysokotlaké (kompresní) a nízkotlaké (zředění) cykly, což vede k ultrazvuku kavitace. Kavitace popisuje “vznik, růst a implozivní kolaps bublin v kapalině. Kavitační kolaps způsobuje intenzivní lokální ohřev (~5000 K), vysoké tlaky (~1000 atm) a obrovské rychlosti ohřevu a ochlazování (>109 K/s)” jako je proudění kapaliny o rychlosti ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Ultrazvukem generované kavitační síly poskytují kinetickou energii, rozptylují částice a vytvářejí radikály podporující chemickou polymerační reakci.
Obecné pozitivní účinky sonikace během polymerační reakce jsou:

• iniciace polymerace v důsledku sonochemicky vytvořených radikálů (kinetika polymerace)
• zrychlení polymerační rychlosti
• užší polydisperzity, ale vyšší molekulová hmotnost polymerů
• homogennější reakce a tím i nižší rozložení délek řetězců

Literatura/Odkazy

• K.S. Suslick (1998): Kirk-Othmerova encyklopedie chemické technologie; 4. vyd. J. Wiley & Synové: New York, 1998, sv. 26, 517-541.