InnoREX – ultrazvukem zlepšená extruze PLA

Ultrazvukové míchání, dispergace a emulgace zlepšují extruzi kyselin polymléčných (PLA). Začlenění sonikace do extruzních linek zvyšuje výtěžek a kvalitu vyráběné PLA.

Syntéza polylaktidu

Kyseliny polymléčné neboli polylaktid (PLA) je termoplastický alifatický polyester, který se syntetizuje z kyseliny mléčné a laktidových monomerů. Laktid 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 získala velký zájem, protože je biologicky založenou, biologicky odbouratelnou náhradou konvenčních plastů na petrochemické bázi.
Fakta o PLA: PLA (C₃H₄O₂)n má hustotu 1210–1430 kg/m³, je nerozpustná ve vodě, tvrdší než PTFE a taje při teplotách mezi 150degC a 220degC.

InnoREX – inovativní polymerační proces

Současný výrobní proces PLA vyžaduje ke zvýšení rychlosti polymerace laktonů katalyzátory obsahující kovy, které jsou nebezpečné pro zdraví a životní prostředí. Vzhledem k problematické povaze používání katalyzátorů a rostoucí poptávce po biopolymerech se projekt InnoREX zaměřuje na vývoj polymeračního procesu, v němž jsou konvenční katalyzátory obsahující kovy nahrazeny organickým katalyzátorem s podporou alternativních zdrojů energie – vysoce výkonného ultrazvuku, mikrovln a laseru.

Bylo prokázáno, že organické katalyzátory účinně řídí polymeraci laktidu, jejich aktivitu je však ještě nutné zlepšit, aby splňovaly průmyslové standardy. Toho bude dosaženo zavedením alternativních energií v podobě ultrazvuku, mikrovln a laserového světla, 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, v němž jsou alternativní zdroje energie zaváděny do média, s organickým katalyzátorem, aby byla v procesu reaktivní extruze získána PLA bez obsahu kovů. (viz obr. 1)
Projekt InnoREX proto využívá krátkou dobu odezvy mikrovln, ultrazvuku a laserového světla k dosažení přesně řízené a účinné kontinuální polymerace PLA s vysokou molekulovou hmotností ve dvoušnekovém extruderu. Kromě toho bude dosaženo významných úspor energie spojením polymerace, kompaundace a tvarování do jednoho výrobního kroku.

Vysoce výkonný ultrazvuk

Tři alternativní zdroje energie – ultrazvuk, mikrovlnné a laserové záření – se kombinují k vyvolání polymerace s otevřením kruhu, aby byla zajištěna polymerace s vysokou molekulovou hmotností. Během omezené doby zdržení v reakční komoře vnášejí alternativní zdroje energie potřebný impulz pohánějící reakci do inline průtokové cely (viz obr. 2) vysoce cíleným způsobem. Díky tomu se lze vyhnout katalyzátorům obsahujícím kovy, jako je 2-ethylhexanoát cínu (II), který je v konvenčních extruzních procesech nutný ke zvýšení rychlosti polymerace laktonů na přijatelně efektivní úroveň.
Do pilotního systému InnoREX byl integrován vysoce výkonný ultrazvukový procesor UIP1000hd, který je schopen dodávat ultrazvukový výkon 1kW. Vysoce výkonný ultrazvuk je dobře známý svými pozitivními účinky na chemické reakce, což je jev sonochemie. Když jsou vysoce výkonné ultrazvukové vlny zaváděny do kapalného média, vytvářejí cykly vysokého tlaku (komprese) a nízkého tlaku (zředění), což vede k ultrazvukové kavitaci. Kavitace popisuje „vznik, růst a implozivní kolaps bublin v kapalině. Kavitační kolaps vytváří intenzivní lokální zahřátí (~5000K), vysoké tlaky (~1000 atm) a obrovské rychlosti ohřevu a chlazení (>109 K/sec)“, jakož i proudění kapaliny s kapalinovými tryskami o rychlosti ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Ultrazvukem generované kavitační síly dodávají kinetickou energii, dispergují částice a vytvářejí radikály podporující chemickou polymerační reakci.
Obecné pozitivní účinky sonikace během polymerační reakce jsou:

• iniciace polymerace díky sonochemicky vytvořeným radikálům (kinetika polymerace)
• zvýšení rychlosti polymerace
• užší polydisperzita, ale vyšší molekulová hmotnost polymerů
• homogennější reakce, a tím menší rozptyl délek řetězců

Literatura a reference

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